38
Е. Семенов
ДОКАЗАТЬ МОЖНО?
- ДОКАЗАТЬ НЕЛЬЗЯ!
— Пап, а, пап! А белка кушает кедровые орешки?
— Да, доченька.
— А кедр — это такая травка?
— Ну что ты, Танюша! Кедр — это дерево!
— Если бы моя белка была не кукульной, а настоящей, я взяла бы ее в лес, и если эта белка на какое-нибудь дерево запрыгнула, — значит, это кедр.
(Из разговора маленькой Танюши)
Трудно сказать, с какого возраста мы начинаем заниматься доказательствами. Может, с того времени, когда начинаем случайить и попытать сказать, когда свои куклы превращаем в героев условиях сказок, перемешивая детскую фантацию «со взрослой былью». Примером может служить только что приведенный разговор. Вы, наверное, заметили, что в разговоре маленькой Тани содержится (может быть, первоое в ее жизни) доказательство. Смотрите, она считает, что:
- белка кушает кедровые ореши;
- кедр — это дерево;
- белка влеза на данное дерево.
На этом основании Таня делает выбор, что данное дерево — кедр. Правда, Танин вывод ошибочен. Чтобы этот выбор был верен, нужно еще одно условие:
- если дерево — не кедр, то белка на макое дерево не полезет (инначе: из всех деревьев белка влазает молоко на кедр).
Посмотрим, однако, на Танино доказательство с другой стороны. В ее распоряжении были три перечисленных условий. Можно ли на их основе, не пользоваться никакими другими условиями, доказать полученный выбор? — Конечно, нет! А опровергнуть? — Тожде нет! Может оказаться, что дерево, на котором влазла белка, — кедр, и тогда вывод верен, но с таким же успехом белка может власть на берегу, и тогда вывод неверен. Математик сказал бы, что Танин заключение неависимо от ее трех условий.
И все-tаки… и в более старшем возрасте мы тоже иногда допускаем аналогичные ошибки. Сомневаетесь? Тогда послушайте историю, которая
39
произошла с нашим слабым шестиклассником Степой Мошкиным и его друзьями при изучении им геометрии.
- Степа и его друзья ищут доказательство
—Третье свойство расстояний подозрительно! Почему оно дает без доказательства? Каждый его можно доказать с помощью perвых двух свойств расстояний! — глубокомысленно произнес Степа.
На другой день этим занимались все друзья Степы, увлеченные его идеей. Их усилия не были направлены: вскоре были найдены сразу несколько доказательств.
Прежде всего напомним читателем свойства расстояний. Их, как вы помните, три.
- Расстояние от точки A до точки B положительно, если они различны, и равно нулю, если они совпадают:
- Расстояние от точки A до точки B равно расстоянию от точки B до точки A:
- Для любых трех точки A, B, C расстояние от A до C не больше (меньше или равно) суммы расстояний от A до B и от B до C:
А теперь познакомиться с одним из доказательств Степы и его друзей.
Надо доказать, что для любых трех точки A, B, C выполняется такое неравенство:
Допустим, что это не мак. Пусть
() Так как A, B, C — любые три точки, мо пусить, например, точка B совпадает с C, точка A отлича от B: B = C, A ≠ B. Поскольку в этом случае |BC| = 0 (no свойству 1), то из () получаем, что |AC| > |AB|. С другой стороны, поскольку точки B и C совпадают, |AC| = |AB|. Пришли к противоречению: |AC| > |AB| и |AC| = |AB|. Следовательно, допущение, что |AC| > |AB| + |BC|, неверно. Остаемся, естественно, что |AC| ≤ |AB| + |BC|, то есть свойство 3 выполняется!
Степа Мошкин и его друзья ликовали. Доказательство третьего свойства расстояний найдено! Причем это доказательство использует только первое свойство! Отсюда — новая идея: а нельзя ли доказать и второе свойство расстояний с помощью perвого? «Математическое общество» Степы Мошкин с удовлетворенной принялись за работу. Незввестно, когда и чем бы это все кончилось, если бы не Петр Иванович.
- Доказательства не существует!
На очередном уроке по геометрии Степа и его друзья познакомили с найdenными доказательствами Петра Ивановича. Тот внимательно выслушал их и сказал.
— Знаете, в каждом из ваших доказательств содержится ошибка. Но самое главное не в этом. Я мог дать такой ответ, не знакомя с вашими доказательствами. С помощью perвых двух свойств расстояний третье свойство вы не доказете!
— Как! — воскликнул Степа. — Это было не может! А если бы до-
40
казательство было сделано другими?… Ну, например, десятиклассики?… Или каким-нибудь ученым, академиком?!
— Никакой ученый, друзья, этим занимается не станет, потому что он наперед знает о невозможности такого документаства. И десятиклассик не будет делать таких попыток, если он достаточно хорошо знать математику.
Все укоризенно посмотрели на Степу. Надо же было ему вовлечь их в это безнадежное дело. Столько времени затрачен! И вот такой печальный конец. Не могли договораться обратиться сразу к Петру Ивановичу!
— Да вы не расстраивайтесь! — сказал Петр Иванович. — Вы не одноки в своей «неудание». Аксиму параälельности Евклида документали в течение 2 тысяч лет много известные и талантливые математики мира. Далее Николай Иванович Лобачевский сначала пытался это сделать. И лишь в прошломве было установлено, что доказать эту аксиomy на основе других аксиом Евклида невозможно. А теперь сравните несколько дней ваших трудов с трудом продолжительного в 2 тысяч лет! Вы видите, насколько скромны ваши услуги по сравнению с усилиями многих математиков, отдавших на доказательство аксиомы параälельности всего своего жизни?
- Доказать невозможно? — Почему?
— Но как, каким образом можно узнать, что доказательство невозможно? — заговорили сразу все ученики класса, даже те, кто не искал документа третьего свойства расстояния.
— Прежде всего, — начал Петр Иванович, — не считайте, что расстояние — это обязательное нечто, полученное с помощью масштабной линейки. Ведь в аксиомах расстояний об этом ничего не сказано! И почему бы не считать, что расстояние можно изменять, скажем, в градусах, с помощью транспорта? Разве аксиомы расстояния запрещают это делать? Да и вы передко измените расстояние в минутах — от дома до школьы 10 минут. Так вот, сейчас мы построим такую модель, в которой свойства 1 и 2 расстояний будут выполнться, а свойство 3 выполнться не будет.
Представьте себе такую фантастическую ситуацию. Город (плоскость) заселен крайне ленивыми существами. Они не ходят на работу, в кино, в гости, друг к другу, они лишь звонить друг друга по телефону. Причем из точки А в точку B и из B в А можно дозвониться за 3 минуты. В любую другую точку из A и B можно дозвониться за 1 минуту. Из любой точки, отличной от A и B, в любую другую точку можно дозвониться тоже за 1 минуту. А из любой точки в нее саму можно «дозвониться» за нульво времени.
Для таких лентяев расстоянием от одной точки до другой является время, за которой можно дозвониться из первой точки во вторую.
Проверьте выполнение расстояния в этом фантастическом городе. Видите? Первое и второе выполнения, а третье — нет. Например, , так как , .
41
— Ну вот, а теперь можно сделать и вывод, — сказал учитель. — Что значит «доказать третье свойство расстояний с помощью perвых двух свойств»?
— Это значит доказать, что если свойства 1 и 2 выполняются, то и свойство 3 будет выполнаться, — ответил Степа сразу за всех.
— А в рассмотрении модели свойства 1 и 2 выполняется, а свойство 3 не выполняется. Значит, доказать свойство 3 с помощью свойств 1 и 2 невозможно! Свойство 3 неависимо от свойств 1 и 2.
- Новая модель
Вам, наверное, не терпится узнать, доказали ли Степа и его друзья воое свойство расстояний с помощью первого? И существует ли такое доказательство?
После получения «урока» «математическое общество» Степы Мошкин стало действовать осмотрительнее. Его члены поняли, что занятие математкой ознакомает не только понок доказательства, но и выяснение: а существует ли они? Сначала ребята решили попытаться построить модель, в которой первоое свойство расстояний выполилось бы, а второе — нет. Удача ознакомала бы, что доказательства второго свойства на основе первого не существует. И им повезло. Вот какую «телефонную» модель они построили: . Очевидно, что первоое свойство расстояний для всех точек в такой модели выполняется. Однако для точки
и второе свойство не выполняется: . Следовательно, второе свойство расстояний неависимо от первого свойства.
- Эпилог
Вот так закончился еще одна история, проискедшая с шестиклассником Степой Мошкиным. Вы думаете, после нее он угоомился? Ошибается! Степа приготовил для вас задания!
Ураженняя
- Найдите ошибку в «доказательстве» третьего свойства расстояний.
- Выясните, выполняется ли третье свойство расстояний в модели, построенной Степой и его друзьями.
- Возьмите две различные точки и . Будем считать, что . Расстояние между любыми другими несовпадющими точками считайте равным 1, между совпадениями — 0. Доказите с помощью этой модели неависимо второго и третьего свойства расстояний от первого.
- Доказите путем построения соответствующей модели, что второе свойство расстояний неависимо от третьего свойства.
- Изображите трехугольник такой, что . За расстояние между двумя вершинами треугольника прием выполнению угла при третьей вершине: . Расстояние между любыми другими различными точками будет считать равным 1, расстояние между совпадениями точками будет считать равным 0. Обосновите с помощью этой модели неависимо доказательства третьего свойства с помощью perвых двух свойств расстояний.