Üldvaade Õppija vaade Õpetaja vaade Õpetaja ja toetaja vaade Mitme rolli juhend
Tõestus: tõestusviisid Teemade mitmekesine lahkamine

Tõestus: tõestusviisid

Enne alustamist8. klass · raskus 3/5

Kuidas valida?

Kõigepealt sõnasta, mida eeldad ja mida tahad tõestada. Sama väidet võib sageli tõestada mitmel viisil.

Mapiku soovitus: otsene tõestus, vastunäide ja kahe suuna eristamine alates 8. klassist. Induktsioon on siin 11. klassi lisaväljakutse, mitte vajalik eelteadmine teiste näidete jaoks.

Tabel. Veerud: Väite kuju, Sobiv võte, Kontrollküsimus
Väite kuju Sobiv võte Kontrollküsimus
“Kui ..., siis ...” otsene tõestus Kas saan eeldusest järelduseni liikuda?
“Kõik ...” ja kahtled vastunäide väite ümberlükkamiseks Kas leidub üks lubatud juht, kus väide ei kehti?
“... parajasti siis, kui ...” kaks suunda Kas olen tõestanud mõlemad suunad?
“Kõigi naturaalarvude $n$ korral ...” induktsioon Kas on baassamm ja induktsioonisamm?
Otse on raske vastuväiteline tõestus Kas vastupidine oletus viib vastuoluni?

Näide: otsene tõestus

Väide: kui täisarv $n$ on paarisarv, siis $n^2$ on paarisarv.

Eeldus: $n$ on paarisarv. Seega $n=2k$, kus $k$ on mingi täisarv. See kirjeldab suvalist paarisarvu, mitte ainult üht näidet.

Arvutus:

$$n^2=(2k)^2=2(2k^2).$$

Järeldus: $2k^2$ on täisarv, nii et $n^2$ on kahe ja täisarvu korrutis. See ongi paarisarvu definitsioon. Näiteks $6^2=36$ sobib väitega, kuid üksinda ei tõesta seda kõigi paarisarvude jaoks.

Näide: vastunäide

Väide: iga algarv on paaritu.

Kontroll: arv 2 on algarv, sest tema positiivsed jagajad on ainult 1 ja 2. Aga 2 on paarisarv. Seega leidub üks algarv, mille puhul väide ei kehti, ja üldväide on ümber lükatud.

Arv 4 ei sobiks vastunäiteks: kuigi ta on paaris, pole ta algarv. Vastunäide peab täitma väite eelduse.

Näide: mõlemad suunad

Väide: täisarv $n$ on paarisarv parajasti siis, kui $n^2$ on paarisarv.

Esimene suund: kui $n$ on paaris, siis $n^2$ on paaris. Selle tõestasime eespool.

Teine suund: eeldame, et $n^2$ on paaris. Kas $n$ võiks olla paaritu? Sel juhul $n=2k+1$ ja

$$n^2=(2k+1)^2=2(2k^2+2k)+1.$$

See oleks paaritu, vastuolus eeldusega, et $n^2$ on paaris. Seega $n$ on paaris. Alles mõlema suuna tõestamine õigustab sõnu „parajasti siis, kui”.

Näide: vastuväiteline tõestus

Väide: suurimat naturaalarvu ei ole.

Oletame vastupidist: leidub suurim naturaalarv $N$. Siis $N+1$ on samuti naturaalarv, aga $N+1>N$. See on vastuolus oletusega, et $N$ on suurim. Järelikult oli oletus vale.

Ka eelmise näite teine suund kasutas vastuolu. Tõestusvõtteid saab omavahel kombineerida.

Näide: induktsioon

Induktsioon sammhaaval: 11. klassi lisaväljakutse

Väide: esimese $n$ positiivse paaritu arvu summa on $n^2$, kui $n\ge1$:

$$1+3+\cdots+(2n-1)=n^2.$$

Näiteks $1+3+5=9=3^2$. See aitab väidet mõista, kuid tõestus peab hõlmama kõiki $n$ väärtusi.

1. Baassamm. Kui $n=1$, on summa $1=1^2$. Väide kehtib.

2. Induktsioonieeldus. Oletame, et väide kehtib mingi suvalise täisarvu $k\ge1$ korral:

$$1+3+\cdots+(2k-1)=k^2.$$

3. Induktsioonisamm. Järgmine paaritu arv on $2(k+1)-1=2k+1$. Lisame selle mõlemale poole:

$$1+3+\cdots+(2k-1)+(2k+1)$$

$$=k^2+2k+1=(k+1)^2.$$

Esimese $k$ liikme summa asendasime $k^2$-ga just induktsioonieelduse põhjal. Nii tõestasime: kui väide kehtib $k$ korral, kehtib see ka $k+1$ korral.

Järeldus. Baassamm annab juhu 1; induktsioonisamm viib sealt juhule 2, siis 3 ja nii edasi. Seetõttu kehtib väide kõigi täisarvude $n\ge1$ korral. Me ei eeldanud kogu väidet ette, vaid tõestasime ülemineku ühest juhust järgmisse.

Proovi ise

Tõesta, et kahe paarisarvu summa on paarisarv. Kas selle tõestab arvutus $4+8=12$?

Kontroll

Kirjuta arvud kujul $2a$ ja $2b$, kus $a$ ja $b$ on täisarvud. Nende summa on $2a+2b=2(a+b)$. Kuna $a+b$ on täisarv, on summa paarisarv. Arvutus $4+8=12$ kontrollib ainult üht juhtu, mitte üldväidet.

Seotud lehed