2016-2017学年高中数学北师大版选修2-2学案：1.3 反证法 Word版含解析

§3反证法1.了解间接证明的一种基本方法——反证法.2.理解反证法的概念及思考过程和特点.(难点)3.掌握反证法证题的基本步骤，会用反证法证明相关的数学问题.(重点、难点)[基础·初探]教材整理反证法阅读教材P13～P14“例3”以上内容，完成下列问题.1.反证法的定义在证明数学命题时，先假定命题结论的反面成立，在这个前提下，若推出的结果与定义、公理、定理相矛盾，或与命题中的已知条件相矛盾，或与假定相矛盾，从而说明命题结论的反面不可能成立，由此断定命题的结论成立.这种证明方法叫作反证法.2.反证法证明的思维过程反证法的证明过程可以概括为“否定——推理——否定”，即从否定结论开始，经过正确的推理，导出逻辑矛盾，从而达到新的否定(即肯定原命题)的过程.用反证法证明命题“若p则q”的过程可以用以下框图表示：肯定条件p，否定结论q →导致逻辑矛盾→“p且﹁q”为假→“若p则q”为真判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)反证法属于间接证明问题的方法.()(2)反证法的证明过程既可以是合情推理，也可以是一种演绎推理.()(3)反证法推出的矛盾不能与已知相矛盾.( )【解析】 (1)正确.反证法其实是证明其逆否命题成立，所以它属于间接问题的方法.(2)错误.反证法从证明过程看是一种严谨的演绎推理.(3)错误.反证法推出的矛盾可以与已知相矛盾.【答案】 (1)√ (2)× (3)×[质疑·手记]预习完成后，请将你的疑问记录，并与“小伙伴们”探讨交流：疑问1： 解惑： 疑问2： 解惑： 疑问3： 解惑：[小组合作型](1)求数列{a n }的通项a n 与前n 项和S n ； (2)设b n ＝S n n (n ∈N ＋)，求证：数列{b n }中任意不同的三项都不可能成为等比数列.【精彩点拨】 第(1)问应用a n ＝a 1＋(n －1)d 和S n ＝na 1＋12n (n －1)d 两式求解.第(2)问先假设存在三项b p ，b q ，b r 成等比数列，再用反证法证明.【自主解答】 (1)设等差数列{a n }的公差为d ，由已知得⎩⎨⎧a 1＝2＋1，3a 1＋3d ＝9＋32，∴d ＝2，故a n ＝2n －1＋2，S n ＝n (n ＋2).(2)证明：由(1)得b n ＝S n n ＝n ＋ 2.假设数列{b n }中存在三项b p ，b q ，b r (p ，q ，r 互不相等)成等比数列，则b 2q ＝b p b r ，即(q ＋2)2＝(p ＋2)(r ＋2)，∴(q 2－pr )＋(2q －p －r )2＝0.∵p ，q ，r ∈N ＋，∴⎩⎨⎧q 2－pr ＝0，2q －p －r ＝0， ∴⎝ ⎛⎭⎪⎫p ＋r 22＝pr ，(p －r )2＝0， ∴p ＝r ，这与p ≠r 矛盾.所以数列{b n }中任意不同的三项都不可能成为等比数列.1.当结论中含有“不”“不是”“不可能”“不存在”等词语的命题，此类问题的反面比较具体，适合应用反证法.例如证明异面直线，可以假设共面，再把假设作为已知条件推导出矛盾.2.反证法必须从否定结论进行推理，即应把结论的反面作为条件，且必须根据这一条件进行推证，否则，仅否定结论，不从结论的反面出发进行推理，就不是反证法.3.常见否定词语的否定形式如下表所示：[再练一题]1.已知方程f (x )＝a x ＋x －2x ＋1(a >1)，证明：方程f (x )＝0没有负数根.【证明】 假设x 0是方程f (x )＝0的负数根，则x 0<0，x 0≠－1且ax 0＋x 0－2x 0＋1＝0，所以ax 0＝－x 0－2x 0＋1. 又当x 0<0时，0<ax 0<1，故0<－x 0－2x 0＋1<1， 即0<－1＋3x 0＋1<1，1<3x 0＋1<2，解得12<x 0<2. 这与x 0<0矛盾， 所以假设不成立，故方程f (x )＝0没有负数根.已知x ，y ，z 均大于零，求证：x ＋4y ，y ＋4z ，z ＋4x 这三个数中至少有一个不小于4. 【精彩点拨】 本题中含有“至少”，不宜直接证明，故可采用反证法证明.【自主解答】 假设x ＋4y ，y ＋4z ，z ＋4x 都小于4，即x ＋4y <4，y ＋4z <4，z ＋4x <4，于是得⎝ ⎛⎭⎪⎫x ＋4y ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫y ＋4z ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫z ＋4x <12， 而⎝ ⎛⎭⎪⎫x ＋4y ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫y ＋4z ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫z ＋4x ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫x ＋4x ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫y ＋4y ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫z ＋4z ≥2 x ·4x ＋2 y ·4y ＋2 z ·4z ＝12，这与⎝ ⎛⎭⎪⎫x ＋4y ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫y ＋4z ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫z ＋4x <12矛盾， 因此假设错误，即x ＋4y ，y ＋4z ，z ＋4x 中至少有一个不小于4.1.用反证法证明“至少”“至多”型命题，可减少讨论情况，目标明确.否定结论时需弄清楚结论的否定是什么，避免出现错误.2.用反证法证明“至多”“至少”问题时常见的“结论词”与“反设词”如下：[再练一题]2.若x>0，y>0，且x＋y>2，求证：1＋yx与1＋xy至少有一个小于2.【导学号：94210018】【证明】假设1＋yx与1＋xy都不小于2，即1＋yx≥2，1＋xy≥2.∵x>0，y>0，∴1＋y≥2x，1＋x≥2y，两式相加得2＋(x＋y)≥2(x＋y)，∴x＋y≤2，这与已知中x＋y>2矛盾，∴假设不成立，原命题成立.故1＋yx与1＋xy至少有一个小于2.[探究共研型]【提示】(1)反设：假设命题的结论不成立，即假定原结论的反面为真.(2)归谬：从反设和已知条件出发，经过一系列正确的逻辑推理，得出矛盾的结果.(3)存真：由矛盾的结果断定反设不真，从而肯定原结论成立.探究2如何证明两条相交直线有且只有一个交点？【提示】假设两条直线a，b不只有一个交点，则至少有两个交点A和B，这样同时经过点A，B的直线就有两条，这与“经过两点有且只有一条直线”相矛盾.所以两条相交直线有且只有一个交点.已知一点A和平面α.求证：经过点A只能有一条直线和平面α垂直.【精彩点拨】【自主解答】根据点A和平面α的位置关系，分两种情况证明.(1)如图(1)，点A在平面α内，假设经过点A至少有平面α的两条垂线AB，AC，那么AB，AC是两条相交直线，它们确定一个平面β，平面β和平面α相交于经过点A的一条直线a.因为AB⊥平面α，AC⊥平面α，a α，所以AB⊥a，AC⊥a，在平面β内经过点A有两条直线都和直线a垂直，这与平面几何中经过直线上一点只能有已知直线的一条垂线相矛盾.(1)(2)如图(2)，点A在平面α外，假设经过点A至少有平面α的两条垂线AB 和AC(B，C为垂足)，那么AB，AC是两条相交直线，它们确定一个平面β，平面β和平面α相交于直线BC，因为AB⊥平面α，AC⊥平面α，BC α，所以AB⊥BC，AC⊥BC.(2)在平面β内经过点A有两条直线都和BC垂直，这与平面几何中经过直线外一点只能有已知直线的一条垂线相矛盾.综上，经过一点A只能有一条直线和平面α垂直.证明“有且只有一个”的问题，需要证明两个命题，即存在性和唯一性.当证明结论以“有且只有”“只有一个”“唯一存在”等形式出现的命题时，由于反设结论易于导出矛盾，所以用反证法证其唯一性就较简单明了.[再练一题]3.若函数f(x)在区间[a，b]上的图像连续不断，且f(a)<0，f(b)>0，且f(x)在[a，b]上单调递增，求证：f(x)在(a，b)内有且只有一个零点.【证明】由于f(x)在[a，b]上的图像连续不断，且f(a)<0，f(b)>0，即f(a)·f(b)<0，所以f(x)在(a，b)内至少存在一个零点，设零点为m，则f(m)＝0，假设f(x)在(a，b)内还存在另一个零点n，即f(n)＝0，则n≠m.若n>m，则f(n)>f(m)，即0>0，矛盾；若n<m，则f(n)<f(m)，即0<0，矛盾.因此假设不正确，即f(x)在(a，b)内有且只有一个零点.[构建·体系]1.应用反证法推出矛盾的推理过程中可作为条件使用的是()①结论的否定；②已知条件；③公理、定理、定义等；④原结论.A.①②B.②③C.①②③D.①②④【解析】根据反证法的基本思想，应用反证法推出矛盾的推导过程中可把“结论的否定”“已知条件”“公理、定理、定义等”作为条件使用.【答案】 C2.实数a，b，c不全为0等价于()A.a，b，c均不为0B.a，b，c中至多有一个为0C.a，b，c中至少有一个为0D.a，b，c中至少有一个不为0【解析】不全为0即至少有一个不为0，故选D.【答案】 D3.命题“△ABC中，若A>B，则a>b”的结论的否定应该是()A.a<bB.a≤bC.a＝bD.a≥b【解析】“大于”的否定是“不大于”，即“小于或等于”，故选B.【答案】 B4.用反证法证明某命题时，对某结论：“自然数a，b，c中无偶数”，正确的假设为________.【导学号：94210019】【解析】a，b，c中无偶数，即a，b，c都是奇数，反设应是“a，b，c 中至少有一个偶数”.【答案】a，b，c中至少有一个偶数5.若a，b，c互不相等，证明：三个方程ax2＋2bx＋c＝0，bx2＋2cx＋a＝0，cx2＋2ax＋b＝0至少有一个方程有两个相异实根.【证明】假设三个方程中都没有两个相异实根，则Δ1＝4b2－4ac≤0，Δ2＝4c2－4ab≤0，Δ3＝4a2－4bc≤0.相加得a2－2ab ＋b2＋b2－2bc＋c2＋c2－2ac＋a2≤0，(a－b)2＋(b－c)2＋(c－a)2≤0，∴a＝b＝c，这与a，b，c互不相等矛盾.∴假设不成立，即三个方程中至少有一个方程有两个相异实根.我还有这些不足：(1)(2)我的课下提升方案：(1)(2)学业分层测评(五)(建议用时：45分钟)[学业达标]一、选择题1.用反证法证明“三角形中最多只有一个内角为钝角”，下列假设中正确的是()A.有两个内角是钝角B.有三个内角是钝角C.至少有两个内角是钝角D.没有一个内角是钝角【解析】“最多有一个”的反设是“至少有两个”，故选C.【答案】 C2.下列命题错误的是()A.三角形中至少有一个内角不小于60°B.四面体的三组对棱都是异面直线C.闭区间[a，b]上的单调函数f(x)至多有一个零点D.设a，b∈Z，若a，b中至少有一个为奇数，则a＋b是奇数【解析】a＋b为奇数⇔a，b中有一个为奇数，另一个为偶数，故D错误.【答案】 D3.“自然数a，b，c中恰有一个偶数”的否定正确的为()A.a，b，c都是奇数B.a，b，c都是偶数C.a，b，c中至少有两个偶数D.a，b，c中都是奇数或至少有两个偶数【解析】自然数a，b，c的奇偶性共有四种情形：(1)3个都是奇数；(2)2个奇数，1个偶数；(3)1个奇数，2个偶数；(4)3个都是偶数.所以否定正确的是a，b，c中都是奇数或至少有两个偶数.【答案】 D4.设x，y，z都是正实数，a＝x＋1y，b＝y＋1z，c＝z＋1x，则a，b，c三个数()【导学号：94210020】A.至少有一个不大于2B.都小于2C.至少有一个不小于2D.都大于2【解析】若a，b，c都小于2，则a＋b＋c<6，①而a＋b＋c＝x＋1x＋y＋1y＋z＋1z≥6，②显然①②矛盾，所以C正确.【答案】 C5.(2016·温州高二检测)用反证法证明命题：“一个三角形中不能有两个直角”的过程归纳为以下三个步骤：①A＋B＋C＝90°＋90°＋C>180°，这与三角形内角和为180°相矛盾，A＝B＝90°不成立；②所以一个三角形中不能有两个直角；③假设三角形的三个内角A，B，C中有两个直角，不妨设A＝B＝90°，正确顺序的序号为()A.①②③B.①③②C.②③①D.③①②【解析】根据反证法的步骤，应该是先提出假设，再推出矛盾，最后否定假设，从而肯定结论.【答案】 D二、填空题6.(2016·南昌高二检测)命题“任意多面体的面至少有一个是三角形或四边形或五边形”的结论的否定是__________________.【解析】“至少有一个”的否定是“没有一个”.【答案】任意多面体的面没有一个是三角形或四边形或五边形7.(2016·汕头高二检测)用反证法证明命题“如果a>b，那么3a>3b”时，假设的内容应是________.【解析】3a与3b的关系有三种情况：3a>3b，3a＝3b和3a<3b，所以“3a>3b”的反设应为“3a≤3b”.【答案】3a≤3b8.(2016·石家庄高二检测)设a，b是两个实数，给出下列条件：①a＋b＝1；②a＋b＝2；③a＋b>2；④a2＋b2>2.其中能推出“a，b中至少有一个大于1”的条件是________(填序号).【解析】若a＝13，b＝23，则a＋b＝1，但a<1，b<1，故①不能推出.若a＝b＝1，则a＋b＝2，故②不能推出.若a＝－2，b＝1，则a2＋b2>2，故④不能推出.对于③，即a＋b>2，则a，b中至少有一个大于1.反证法：假设a≤1且b≤1，则a＋b≤2与a＋b>2矛盾，因此假设不成立，故a，b中至少有一个大于1.【答案】③三、解答题9.已知x∈R，a＝x2＋12，b＝2－x，c＝x2－x＋1，试证明：a，b，c至少有一个不小于1.【证明】假设a，b，c均小于1，即a<1，b<1，c<1，则有a＋b＋c<3.而与a＋b＋c＝2x2－2x＋12＋3＝2⎝⎛⎭⎪⎫x－122＋3≥3矛盾，故假设不成立，即a，b，c至少有一个不小于1.10.已知三个正数a，b，c成等比数列，但不成等差数列，求证：a，b，c不成等差数列.【证明】假设a，b，c成等差数列，则a＋c＝2b，两边同时平方得a＋c＋2ac＝4b.把b2＝ac代入a＋c＋2ac＝4b，可得a＋c＝2b，即a，b，c成等差数列，这与a，b，c不成等差数列矛盾.所以a，b，c不成等差数列.[能力提升]1.有以下结论：①已知p3＋q3＝2，求证p＋q≤2，用反证法证明时，可假设p＋q≥2；②已知a，b∈R，|a|＋|b|<1，求证方程x2＋ax＋b＝0的两根的绝对值都小于1，用反证法证明时可假设方程有一根x1的绝对值大于或等于1，即假设|x1|≥1.下列说法中正确的是()A.①与②的假设都错误B.①与②的假设都正确C.①的假设正确；②的假设错误D.①的假设错误；②的假设正确【解析】用反证法证题时一定要将对立面找准.在①中应假设p＋q>2，故①的假设是错误的，而②的假设是正确的.【答案】 D2.已知命题“在△ABC中，A≠B.求证sin A≠sin B”.若用反证法证明，得出的矛盾是()A.与已知条件矛盾B.与三角形内角和定理矛盾C.与已知条件矛盾且与三角形内角和定理矛盾D.与大边对大角定理矛盾【解析】证明过程如下：假设sin A＝sin B，因为0<A<π，0<B<π，所以A ＝B或A＋B＝π.其中A＝B与A≠B矛盾；A＋B＝π与三角形内角和定理矛盾，所以假设不成立.所以sin A≠sin B.【答案】 C3.(2016·九江高二检测)有甲、乙、丙、丁四位歌手参加比赛，其中只有一位获奖，有人走访了四位歌手，甲说：“是乙或丙获奖”，乙说：“甲、丙都未获奖”，丙说：“我获奖了”，丁说：“是乙获奖了”，四位歌手的话只有两句是对的，则获奖的歌手是________.【导学号：94210021】【解析】因为只有一人获奖，所以丙、丁只有一个说的对，同时甲、乙中只有一人说的对，假设乙说的对，这样丙就说的错，丁就说的对，也就是甲也说的对，与甲说的错矛盾，所以乙说的错，从而知甲、丙说的对，所以丙为获奖歌手.【答案】 丙4.(2016·温州高二检测)设{a n }，{b n }是公比不相等的两个等比数列，c n ＝a n ＋b n ，证明：数列{c n }不是等比数列.【证明】 假设数列{c n }是等比数列，则(a n ＋b n )2＝(a n －1＋b n －1)(a n ＋1＋b n ＋1). ①因为{a n }，{b n }是公比不相等的两个等比数列，设公比分别为p ，q ，所以a 2n ＝a n －1a n ＋1，b 2n ＝b n －1b n ＋1.代入①并整理，得2a n b n ＝a n ＋1b n －1＋a n －1b n ＋1＝a n b n ⎝ ⎛⎭⎪⎫p q ＋q p ，即2＝p q ＋q p . ②当p ，q 异号时，p q ＋q p <0，与②相矛盾；当p ，q 同号时，由于p ≠q ，所以p q ＋q p >2，与②相矛盾.故数列{c n }不是等比数列.。