前段时间看到有李永乐发的视频,说
老师让你证明三角形的内角和是180度,于是你找了几个三角形,发现它们的内角和都是180度,于是证明完毕,这种做法对吗?
我问了许多人,都认为这个方法不对。但实际上,这么做是有道理的,它是正确而且严格的,这就是例证法,它是演绎和归纳法的统一,只是上学时候老师从没教过。
当时觉得李永乐老糊涂了,没怎么看,这几天又看到推荐页面里有人争论,出于好奇看了一下。
其实他视频里的方法,大方向上是对的,但有些细节问题。
首先,应当指出,他用例证法这个名字,有点标题党,刻意吸引人注意。
本质上是将问题代数化,变成多项式函数。
要证明的结果等价于那个多项式恒为0。
那么如果不成立,根据多项式的代数性质,其零点必然是有限的。
然后只要找出更多的“反例”,就证明了假设不成立。
这里主要用的是解析法、反证法。
并不是说一个例子证明了什么,而是足够多的“反例”证明了结论不能不成立。而保证论证过程严谨需要大量的背后工作。
他这种带有配图的原始陈述是不严谨的,虽然这种不严谨的陈述的确起了吸引人的作用。
下面我们来看具体细节。
对于三角形ABC,以A为原点,AB方向为x轴,AB为单位长度建立坐标系,那么B坐标(1,0),设C坐标(x,y).
取BC中点M,延长AM到D使得MD=AM,那么三角形ABM全等于DCM,角ABC=角DCB.
同样的方法取AC中点N,延长BN到E使得EN=BN可得角BAC=角ECA.
于是角ECA 角ACB 角BCD就等于三角形的内角和,要证明它是180度,也就是证明ECD三点共线。
三点共线,等价于(他的原视频里没有用行列式,不过本质一样)
恒为0。
由于M是AD和BC中点,故
从而 是x的一次式,类似地可以得到是x的一次式,是y的一次式。
从而f(x,y)对于x和y都是一次的。
所以只要找两个不同的x和两个不同的y,验证2乘以2种可能之后就能证明f(x,y)恒为0。
问题是,用哪2乘以2种可能呢?
李永乐的视频里用了(0,0),(0,1),(1,0),(1,1).
需要注意,y=0时,C落在AB上,不构成三角形,内角和也无从谈起。
不过这个问题也是可以挽救的,三角形虽然没了,保证三点共线的函数仍然有效,对其的讨论最终可以适用于y不为0的情况,但需要说明。
补救方法1:对y=0的情况做代数计算,算出来f(x,y)在y=0时为0.
补救方法2:指明多项式函数是连续的,在y趋于0时,几何图形在压扁过程中也是连续的,因此被压扁的极端情况下所有点都共线,可以据此得到f(x,y)在y=0时为0.(但要严格论证几何图形在压扁的过程中是连续的,我能想到的还是把点的坐标都算出来,所以仍然回归方法1)。
至于y=1的另两个,是等腰直角三角形,内角和可以用正方形剖分得出,不过也需要说明。
实际上,在前面是可以比较容易地算出的,那么f(x,y)恒等于0及三点共线就是显然的。
在那里故意停止,然后专门用例证,反而显得故意让功。
尽管这种方法在别的问题中可能是简捷的。