高等数学中的零证明

在高等数学的学习过程中,经常要求学生做证明题,加深对公式和概念的理解,同时可以提高学生的逻辑思维能力。所以越来越多的期末考试和考研数学都会有一两道证明题。学生应注意如何掌握数学证明的技巧。下面分三步来讲解数学证明题的解题技巧。

第一步:记住基本原理,包括条件和结论,如零存在定理、中值定理、泰勒公式和极限存在的两个判据,结合几何意义。对基本原理的了解是证明的基础,了解程度的不同(即对定理理解的深度)会导致推理能力的不同。比如2006年数学真题第16题(1)就是证明极限的存在,求极限。只要证明了极限的存在,评价就容易了,但是如果第一步没有证明,即使找到了极限值,也不能得分。因为数学推理是紧密相连的,如果第一步没有定论,那么第二步就是空中楼阁。这个题目很简单,只用了极限存在的两个判据之一:单调有界序列必有极限。只要知道了这个判据,问题就很容易解决了,因为对于这个问题中的级数来说,“单调性”和“有界性”都得到了很好的验证。像这样能直接运用基本原理的证明并不多,更多的是需要用到第二步。

第二步:借助几何意义寻求证明的思路。很多时候,一个证明问题可以用它的几何意义来正确解释。当然,最基本的还是要正确理解标题文字的意思。比如2007年数学I的19题,是一道关于中值定理的证明题,我们可以在直角坐标系下画出满足问题条件的函数的草图。那么我们就可以发现,两个函数除了两个端点之外,还有一个函数值相同的点,即两个函数分别取最大值的点之间的一个点(正确考查:两个函数取最大值的点不一定是同一个点)。这样就很容易认为辅助函数F(x)=f(x)-g(x)有三个零点,应用两次罗尔中值定理就可以得到证明的结论。再比如2005年数学I的18 (1)是零点存在定理的一个证明。只要把[0,1]上的函数y=f(x)和y=1-x的图形做在笛卡儿坐标系中,我们马上就可以看出这两个函数图形有交集。从图中还应该看到,两个函数在两个端点的大小关系正好相反,即两个端点的差函数值符号不同,零点存在定理保证区间内有零点,证明了所要求的结果。如果第二步真的不能圆满解决问题,就去第三步。

第三步:反转。从结论中寻求证明方法。比如2004年的15题是一个不等式证明题,可以应用不等式证明的一般步骤来解决:即由结论构造一个函数,利用函数的单调性来推导结论。判断函数单调性时,需要依靠导数的符号与单调性之间的关系。一般情况下,仅通过一阶导数的符号就可以判断函数的单调性,但异常情况较多(这里举的例子就是异常)。这时候就需要用二阶导数的符号来判断一阶导数的单调性,再用一阶导数的符号来判断原函数的单调性,从而得到要证明的结果。设F(x)=ln*x-ln*a-4(x-a)/e*在这个问题中,其中eF(a)是要证明的不等式。

对于那些经常使用上述方法的同学来说,使用三个步骤就可以轻松获得数学证明12分,但是对于那些心理上不自信自己能解决证明问题的同学来说,往往很容易失去12分。对于后一部分同学,请按“三步证明”建立自信心,防止考试成绩白白流失。