下面先举一个例子,以引出一个革命性的数学思想。 大家在中学里都学过什么叫恒等式,等式
(x - 1)^2
=x^2 - 2x +1 ………………(1)
就是一个恒等式,能否不用演绎的办法而用归纳的办法来证明它是一个恒等式呢?
用x=1代入,两边都得0;用x=2代入,两边都得1;用x=3代入,两边都得4.
这样举了3个例子之后,能不能肯定(1)式就是恒等式呢?恒等式就是要求对x取所有的数值时两边都相等。以上验证了3个x的值,怎么能断定(1)式一定是恒等的呢??
其实,这样验证了3次已经证明了(1)式是恒等式。道理是:如果它不是恒等式,它一定是二次方程或一次方程,这种方程不可能有3个根。现在x=1,2,3 都是“根”,说明它不是方程
,而是恒等式。
这里,举3个例子就证明了这个恒等式。
其实,一个例子就能证明(1)式是恒等式!取x=10代入,两边都是81,就说明了(1)式是恒等式。这是为什么?如何证明这样就可以呢?大家可以思考下,证明过程我附在文章最后,供参考。
这个方法也适合于检验高次的多变元的代数等式是不是恒等式,只用一个例子就可以了。当次数越高、变元越多时,例子所涉及的数值就越大。
我们知道,人的脑力毕竟有其生理极限,数学证明的冗长和复杂已经到了常常难以对其作出鉴定的地步。数学文稿的审查正在逐步变为一项人力所不能胜任的工作,这或许将导致新一轮的数学危机。
数学方法是保证严密推理的光辉典范,在这个意义上它是不应该消逝的,将会消逝的是那种艰苦卓绝的手工推理方式。作为智力劳动机械化的前驱,数学研究正在逐步走向机械化。
而上面的例子正是“机器证明”的基本思想之一。
用举例的方法证明几何定理的研究,这是在近30年活跃起来的领域。企图用几何证明数学定理,这是历史上一些杰出的数学家与哲学家美妙的梦想。20世纪40年代,电子计算机问世以后,各国数学家先后提出过几种用机器证明初等几何的方法,但一直未能在计算机上真正地证明非平凡的几何定理。直到1977年,中国数学家吴文俊教授发表了他的机器证明新方法之后,才使计算机证明初等几何定理成为现实。
吴氏方法的基本思想是:先把几何问题化为代数问题,再把代数问题化为代数恒等式的检验问题,代数恒等式的检验是机械的,问题的转化过程也是机械的,整个问题也就机械化了。用吴氏方法已在计算机上证明了600多条不平凡的几何定理,其中包括一些新发现的定理。
特例的检验,竟能代替演绎推理的证明,这不仅是深刻的数学思想,也具有极高的哲学意味。微观上的偶然性,呈现出宏观上的必然性;普遍性寓于特殊性之中。
附证明:
因为如果(1)式不是恒等式,就可以将它整理成一个二次或一次方程:
ax^2 + bx+ c = 0 …………(2)
因为(1)式左边展开后至多有4项,每项的系数都是+1或-1,右边系数中绝对值最大的是2,因此a,b,c 都是绝对值不大于6的整数。用x代入(2)式得:
100a + 10b + c = 0 …………(3)
因而
|100a|=|10b+c|<=66 …………(4)
因为|a|<=6,所以a=0.
由(3)式得
10b + c = 0
因而
|10b|=|c|<=6
所以又有b=0,从而c=0.
这就证明了(1)式是恒等式。