Инесса Раскина - Логика для всех. От пиратов до мудрецов
Комментарий. 1) Итак, слова «предположим противное» и «пришли к противоречию» сами по себе не являются магическим заклинанием. Распространенная ошибка – вместо требуемого утверждения доказать обратное ему. 2) Само утверждение про архипелаг верно, но доказывается сложнее, чем обратное.
Задача 7.6*. Конечно или бесконечно множество простых чисел?
Обсуждение. Не правда ли, вопрос естественный? Недаром его еще древние греки поставили. И он кажется очень сложным, не так ли? Во всяком случае, конечно ли множество пар простых чисел-близнецов (т. е. отличающихся друг от друга на 2), неизвестно до сих пор. Как не найдено и никакой формулы, позволяющей бесконечно вычислять одно простое число за другим. А некоторые простые по формулировке вопросы теории чисел решены весьма сложными современными методами (например, великая теорема Ферма или тернарная проблема Гольдбаха). Но вот вопрос о бесконечности множества простых чисел древние греки смогли не только поставить, но и решить. Приведем удивительное по красоте и простоте доказательство от противного, восходящее к «Началам» Евклида.
Решение. Пусть множество простых чисел конечно. Тогда можно выписать все простые числа: p1, p2, p3…, pn. Произведение всех этих чисел делится на каждое из них. А если его немножко «испортить», прибавив 1, то полученное число: p1p2p3… pn + 1 не будет делиться ни на одно из простых чисел p1, p2, p3…, pn. Можно ли это число разложить на простые множители? Если можно, то среди этих простых множителей нет известных нам чисел p1, p2, p3…, pn (то есть мы выписали не все простые числа!). А если нельзя, то это число само простое, причем большее всех выписанных нами чисел. В любом случае выписать все простые числа не удалось. Значит, их множество бесконечно.
Комментарий. Является ли приведенное доказательство доказательством от противного? Если да, то требовалось бы доказать, что из А следует Б. А мы вместо этого доказывали бы, что из «не Б» следует «не А». Но где же условие А? В задаче вообще ничего не дано!
Условие А появится, если переформулировать задачу так: «Пусть дано множество всех простых чисел. Доказать, что оно бесконечно». Предположив, что множество простых чисел конечно, мы убедились, что рассмотрели не все простые числа.
Метод от противного оказался эффективен, потому что помог от бесконечного количества, с которым непонятно что делать, перейти к конечному, которое можно перечислить. А затем придумать, как по любому конечному набору простых чисел указать еще одно простое число. Теперь, когда решение придумано, его можно изложить и без характерных для метода от противного слов: возьмем произвольный набор простых чисел, к ним можно добавить еще одно, затем еще одно и т. д. Так можно делать сколько угодно раз, поэтому простых чисел бесконечно много. Еще раз убеждаемся, что сила метода от противного не в магических заклинаниях: он и без них работает!
Задачи для самостоятельного решения
Задача 7.7. Петя сказал: «Если кот шипит, то рядом собака, и наоборот, если собаки рядом нет, то кот не шипит». Не сказал ли он что-то лишнее?
Задача 7.8. Все знают: когда Петя готов к уроку, он всегда поднимает руку. И вдруг…
1) Двоечник Вася точно знает, что сегодня Петя не готов к уроку. «Значит, он не будет поднимать руку», – думает Вася. Верно ли он рассуждает?
2) Марья Ивановна видит, что Петя не поднимает руку. «Ага, значит, он к уроку не готов. Вот сейчас вызову и двойку поставлю!» – думает коварная Марья Ивановна. Верно ли она рассуждает?
Задача 7.9. В вершинах куба расставлены числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Докажите, что есть ребро, числа на концах которого отличаются не менее чем на 3.
Задача 7.10. Десять друзей послали друг другу праздничные открытки, так что каждый послал пять открыток. Докажите, что найдутся двое, которые послали открытки друг другу.
Задача 7.11. Можно ли в кружочках расставить все цифры от 0 до 9 так, чтобы сумма трех чисел на каждом из шести отрезков была бы одной и той же?
Задача 7.12. Двое играют в игру «Щелк!». У них есть прямоугольная шоколадка, разделенная на дольки. Левая нижняя долька отравлена. Ходят по очереди. За ход можно съесть произвольную дольку и все находящиеся справа и сверху от нее. Съевший отравленную дольку проигрывает. Докажите, что у первого игрока есть выигрышная стратегия на любой прямоугольной шоколадке, в которой больше одной дольки (предъявлять стратегию не обязательно).
Задача 7.13. Круг разбит на 25 секторов, пронумерованных в произвольном порядке числами от 1 до 25. В одном из секторов сидит кузнечик. Он прыгает по кругу, каждым своим прыжком перемещаясь по часовой стрелке на количество секторов, равное номеру текущего сектора. Докажите, что в некотором секторе кузнечик не побывает никогда.
Задача 7.14. 1) Несколько мальчиков стали в ряд, при этом разница в росте между двумя соседними не более 10 см. Потом их построили по росту. Докажите, что и теперь разница в росте между двумя соседними мальчиками не более 10 см.
2) На уроке танцев 15 мальчиков и 15 девочек построили двумя параллельными колоннами, так что образовалось 15 пар. В каждой паре измерили разницу роста мальчика и девочки (разница берется по абсолютной величине, то есть из большего вычитают меньшее). Максимальная разность оказалась 10 см. В другой раз перед образованием пар каждую колонну предварительно построили по росту. Докажите, что максимальная разность будет не больше 10 см.
Задача 7.15. Найдите ошибку в рассуждении.
Докажем от противного, что ленивых учеников больше, чем прилежных. Предположим, что прилежных не меньше, чем ленивых. Несомненно, ленивых учеников больше, чем надо. Значит, получается, что прилежных учеников тем более больше, чем надо?! С этим мы, учителя, согласиться никак не можем. Получили противоречие, значит, исходное предположение было неверно, и на самом деле ленивых учеников больше, чем прилежных.
Занятие 8
Равносильность
Знаю – один
Мне равносилен.
Это занятие разнообразно как по тематике, так и по сложности задач. Первый уровень образуют задачи 8.1–8.3 и 8.6–8.9, с помощью которых ребята знакомятся с понятием равносильности высказываний и продолжают работать со следствием.
Как и при изучении следствия, использование таблиц истинности и кругов Эйлера является не самоцелью, а средством решения задач и не должно быть чрезмерным. При обсуждении задачи 8.1 лучше просить ребят привести свои примеры высказываний и совместно прийти к выводу, что во втором пункте этого достаточно для полного решения задачи, а в первом и третьем примеры могут лишь помочь угадать ответ. Задача 8.3 служит для повторения материала второго занятия (про всех и некоторых), а также важных фактов, связанных с делимостью. Задачи 8.2, 8.9 и 8.10 полезны для повторения метода от противного.
Ко второму уровню сложности можно отнести задачи 8.4, 8.5 и 8.10, в которых ставится вопрос о доказательстве равносильности нескольких утверждений. В задачах 8.5 и 8.10 значение имеет уже не только логическая структура доказательства, но и математическое содержание самих высказываний. Задача 8.11 не столько логическая, сколько комбинаторная; ее последний пункт существенно сложнее остальных задач занятия.
Рассмотрим два высказывания. А: «Число кратно 9», Б: «Сумма цифр числа кратна 9». Для каждого конкретного натурального числа эти высказывания либо одновременно истинны, либо одновременно ложны, поскольку натуральное число делится на 9 тогда и только тогда, когда сумма его цифр делится на 9. Другими словами, высказывания А и Б равносильны. Записывается это так: А⇔Б.
Таблица истинности показывает, когда высказывание «А⇔Б» истинно, а когда ложно:
Изобразим область истинности равносильных высказываний. Если те объекты, для которых истинно высказывание А, находятся в первом круге, а те, для которых истинно высказывание Б, во втором, то те, для которых истинно высказывание А⇔Б, находятся в серой области (рис. 17).
Рис. 17
Заметим, что в рассмотренном выше примере все натуральные числа находятся в закрашенной серым области истинности высказывания А⇔Б. Это и означает, что оно истинно для всех натуральных чисел.
