【數(shù)學(xué)基礎(chǔ)Ep1】每天三道題(數(shù)學(xué)分析+解析幾何+線性代數(shù))
預(yù)備知識(shí):
良序公理(the well-ordering property):每個(gè)非空的正整數(shù)集合都有一個(gè)最小元;
用加粗字母AB表示向量,用正常字母AB或者符號(hào)|AB|表示向量AB的長度;
數(shù)環(huán):如果非空數(shù)集R中任二數(shù)的和、差、積均仍屬于R,則稱R是一個(gè)數(shù)環(huán)。
參考資料:
《數(shù)學(xué)分析教程》(常庚哲 史濟(jì)懷)
《初等數(shù)論及其應(yīng)用》(Kenneth H.Rosen)
《繞來繞去的向量法》(張景中 彭翕成)
《高等代數(shù)習(xí)題集》(楊子旭 編)
老碧最感興趣的其實(shí)是一道題從題干到結(jié)論建立邏輯的過程,所以,會(huì)拿一些例題作為示例,把思路解析放在下面,當(dāng)然,覺得沒有耐心的朋友,也可以只看題。
學(xué)數(shù)學(xué)有一個(gè)比較簡單但是辛苦的打基礎(chǔ)方法,就是把例題逐字背誦。
不要小瞧這種辦法,我們知道學(xué)習(xí)外語最好的狀態(tài)是不假思索,脫口而出,但是你問他語法邏輯,他可能也說不清楚,數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)課包括題目,本質(zhì)上依然是技巧思路的積累過程,如果真的背的夠多,許多邏輯環(huán)節(jié)就是一個(gè)程序化的過程,你還在糾結(jié)A為啥能推到B的時(shí)候,別人覺得A到C是顯然的。這種辦法唯一的缺陷可能就是能學(xué)不能教,教別人的時(shí)候,別人問幾個(gè)為什么,你只能回答,這不是很明顯嗎?但是對(duì)個(gè)體發(fā)展來說,沒有壞處。
這種辦法雖然好操作,能吃得了這種苦的人,依然寥寥無幾,就好比,都知道背一兩本小說能夠把語言水平提到一個(gè)很高的水平,但是有幾個(gè)人能堅(jiān)持背完十頁書的。Lol~
老碧也是個(gè)渣渣,之所以提到這種方法,是因?yàn)?,在有限的學(xué)習(xí)經(jīng)歷中,確實(shí)閉書回溯內(nèi)容會(huì)讓知識(shí)學(xué)習(xí)的質(zhì)量更高,只不過,老碧是一個(gè)ADHD晚期患者,即使知道這個(gè)辦法好,也沒有耐心長期堅(jiān)持,因?yàn)閼猩ⅰ?/p>
這就是一個(gè)有小聰明又有嚴(yán)格性格缺陷為什么會(huì)把一切事情都做得乏善可陳的根本原因,還是那句話,如果目標(biāo)僅僅是優(yōu)秀而不是杰出或者偉大,努力足矣。
而我們大多數(shù)人的追求,也不過是成為自己認(rèn)為最好的人,那么,在你認(rèn)為重要的事情上,無論是工作、學(xué)習(xí)、人際、情感,不斷反省,不斷修正,堅(jiān)持不懈,就好,只要在前進(jìn)著,起碼就確定人生沒有被荒廢,那么也就可以,無愧于心,這就夠了。
啰嗦了這么多,開始步入正題。
數(shù)學(xué)分析——
例題(來自《數(shù)學(xué)分析教程(常庚哲 史濟(jì)懷)》):我們主要學(xué)習(xí)這種配湊的思路——

思路——
step1:破題,就是不管三七二十一,把題面能得到的信息,全部寫下來,越多越好,這個(gè)題干給出的條件是——
n不是完全平方數(shù),則存在自然數(shù)m,m<n^(1/2)<m+1;——這個(gè)是一個(gè)需要記憶的細(xì)節(jié),如果一個(gè)數(shù)a是實(shí)數(shù),自然可以得到一個(gè)不等式存在自然數(shù)m,m<=a<m+1,如果a不是整數(shù),即等價(jià)于不等式m<a<m+1;
我們要證明n^(1/2)不是有理數(shù),即要證明n^(1/2)=p/q,對(duì)任何自然數(shù)p、q不成立,一般還會(huì)說明p、q互質(zhì);
于是只要導(dǎo)出1、2同時(shí)成立的矛盾,即可證明。
step2:方法選擇——
由step1.3可知,需要導(dǎo)出矛盾,自然會(huì)選擇反證法;
這道題有兩種證法,這里采用無窮遞降法原因在于:
a.史老師基本功特別6,有炫技成分,但是其實(shí)這本書的這道題解法還有更簡潔的寫法,
b.方法二用到互質(zhì)的知識(shí),是高等代數(shù)的內(nèi)容,在大學(xué)第二或第三個(gè)學(xué)期才開課,而這題出現(xiàn)在大一第一節(jié)課,保守估計(jì),是有同學(xué)不了解互質(zhì)的知識(shí)的,所以,照顧基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備的思想,選擇了不超綱的證明方法, 同時(shí)開闊眼界,這是一個(gè)極度優(yōu)秀的教育工作者才能考慮到的事情。
step3:邏輯推演,起點(diǎn)就是step1里的那兩個(gè)式子,同時(shí)我們可以總結(jié)無窮遞降法的適用范圍——
反證法,假設(shè)存在自然數(shù)p,q,n^(1/2)=p/q,即n=p^2/q^2,移項(xiàng)得,p^2=nq^2;
由step1.1與step1.2可知,m<p/q<m+1,移項(xiàng)得,0<p-mq<q;
下面建立1和2的聯(lián)系,即,我們要在1式中構(gòu)造出p-mq的結(jié)構(gòu),同時(shí)要能得到p-mq和q的關(guān)系,1等式中q都在右邊,自然想到把p-mq乘到左邊,自然得到p(p-mq)=p^2-mpq=nq^2-mpq=q(nq-mp),即p/q=(nq-mp)/(p-mq);
由2,3,p-mq<q,則立刻推出nq-mp<p,令q1=p-mq,p1=nq-mp,得到新的p1/q1;
上述操作理論上可以無限循環(huán),那么就會(huì)得到兩列遞減的自然數(shù)列{pn}和{qn},注意這兩個(gè)數(shù)集是沒有最小數(shù)的,與良序公理矛盾,故而得證。
習(xí)題:設(shè)自然數(shù)n不是完全立方數(shù),那么n^(1/3)就不是有理數(shù)。
思路——
假設(shè)存在互質(zhì)的自然數(shù)p,q,n^(1/3)=p/q,即n=p^3/q^3,移項(xiàng)得,p^3=nq^3;
我們要得到一個(gè)q和待定式(*)的不等關(guān)系,滿足(*)<q,p/q=A/(*)=nq^2/p^2;
由2,我們可以推知,存在自然數(shù)m,m<p^2/q<m+1,移項(xiàng)得0<p^2-mq<q;
由1,3,p(p^2-mq)=p^3-mpq=nq^3-mpq=q(nq^2-mp),即p/q=(nq^2-mp)/(p^2-mq);
余下由無窮遞降法得證。
解析幾何——
例題(來自《繞來繞去的向量法(張景中 彭翕成)》)——已AD是三角形ABC的中線,求證:AD<(AB+AC)/2。
思路:這道題比較有意思的是幾何直觀——
向量法:AD=(AB+AC)/2;
由1,|AD|=|(AB+AC)/2|<=(AB+AC)/2,等號(hào)當(dāng)且僅當(dāng)A、B、C三點(diǎn)共線成立,故而AD<(AB+AC)/2。
幾何直觀:就是以AB,AC為鄰邊的平行四邊形,兩鄰邊長度之和大于對(duì)角線長度。
高等代數(shù)——
例題(來自《高等代數(shù)習(xí)題集(楊子旭)》)——若數(shù)環(huán)R不是{0},則R必為一個(gè)無限數(shù)集。
思路——
復(fù)述定義:如果非空數(shù)集R中任二數(shù)的和、差、積均仍屬于R,則稱R是一個(gè)數(shù)環(huán);
由定義和題面可知,R包含非0元素a;
則2a=a+a,3a=2a+a,……一切形如na的數(shù)都屬于R,n是自然數(shù);
(這一步很重要!)如果m與n是不同的自然數(shù),那么ma與na必然不相等,否則,若ma=na,a不為0,推得m=n,與m,n是不同自然數(shù)矛盾,所以R為無限數(shù)集。
今天先簡單到這里。