高中数学教学论文 反证法在几何问题中的应用 新人教版

用心 爱心 专心1 反证法在几何问题中的应用反证法在几何问题中的应用 反证法是一种非常重要的数学方法 它在几何的应用极为广泛 在平面几何 立体几何 解析 几何都有应用 本文选择几个有代表性的应用 举例加以介绍 一 证明几何量之间的关系 例 1 已知 四边形 ABCD 中 E F 分别是 AD BC 的中点 2 1 CDABEF 求证 CDAB 证明 假设 AB 不平行于 CD 如图 连结 AC 取 AC 的中点 G 连结 EG FG E F G 分别是 AD BC AC 的中点 CDGE CDGE 2 1 ABGF ABGF 2 1 AB 不平行于 CD GE 和 GF 不共线 GE GF EF 组成一个三角形 EFGFGE 但 EFCDABGFGE 2 1 与 矛盾 CDAB 例 2 直线与平面相交于 过点在平面内引直线 PO OO OAOBOC POCPOBPOA 求证 PO 证明 假设 PO 不垂直平面 作并与平面相交于 H 此时 H O 不重合 连结 OH PH 由 P 作于 E 于 F OAPE OBPF 根据三垂线定理可知 OAHE OBHF PO 是公共边 POBPOA POFRtPOERt OFOE 又OHOH OEHRtOFHRt EOHFOH 因此 OH 是的平分线 AOB 同理可证 OH 是的平分线 AOC 但是 OB 和 OC 是两条不重合的直线 OH 不可能同时是和的平分线 产生矛盾 AOB AOC PO 例 3 已知 A B C D 是空间的四个点 AB CD 是异面直线 求证 AC 和 BD 是异面直线 AB C D EF G a O P A BC E F H 用心 爱心 专心2 证明 假设 AC 和 BD 不是异面直线 那么 AC 和 BD 在同一平面内 因此 A C B D 四点在同一平面内 这样 AB CD 就分别有两个点在这个平面内 则 AB CD 在这个平面内 即 AB 和 CD 不是异面直线 这与已知条件产生矛盾 所以 AC 和 BD 是异面直线 上面所举的例子 用直接证法证明都比较困难 尤其是证两条直线是异面直线 常采用反证法 二 证明 唯一性 问题 在几何中需要证明符合某种条件的点 线 面只有一个时 称为 唯一性 问题 例 3 过平面上的点 A 的直线 求证 是唯一的 aa 证明 假设不是唯一的 则过 A 至少还有一条直线 ab b 是相交直线 ab 可以确定一个平面 ab 设和相交于过点 A 的直线 c a b ca cb 这样在平面内 过点 A 就有两条直线垂直于 这与定理产生矛盾 c 所以 是唯一的 a 例 4 试证明 在平面上所有通过点的直线中 至少通过两个有理点 有理点指坐标 0 2 x 均为有理数的点 的直线有一条且只有一条 y 证明 先证存在性 因为直线 显然通过点 且直线至少通过两个有理点 例如它通过0 y 0 2 0 y 和 这说明满足条件的直线有一条 0 0 0 1 再证唯一性 假设除了直线外还存在一条直线 或 通过点 且该直0 ybkxy 0 k0 b 0 2 线通过有理点 A与 B 其中 均为有理数 11 yx 22 yx 1 x 1 y 2 x 2 y 因为直线通过点 所以 于是 且 又直bkxy 0 2 kb2 2 xky0 k 线通过 A与 B两点 11 yx 22 yx 所以 2 11 xky 用心 爱心 专心3 2 xky 得 2121 xxkyy 因为 A B 是两个不同的点 且 所以 0 k 21 xx 21 yy 由 得 且是不等于零的有理数 21 21 xx yy k k 由 得 k y x 1 1 2 此式的左边是无理数 右边是有理数 出现了矛盾 所以 平面上通过点的直线中 至少通过两个有理点的直线只有一条 0 2 综上所述 满足上述条件的直线有一条且只有一条 关于唯一性的问题 在几何中有 在代数 三角等学科中也有 这类题目用直接证法证明相当 困难 因此一般情况下都采用间接证法 即用反证法或同一法证明 用反证法证明有时比同一法更 方便 三 证明不可能问题 几何中有一类问题 要证明某个图形不可能有某种性质或证明具有某种性质的图形不存在 它 们的结论命题都是以否定形式出现的 若用直接证法证明有一定的困难 而它的否定命题则是某个 图形具有某种性质或具有某种性质的图形存在 因此 这类问题非常适宜用反证法 例 5 求证 抛物线没有渐近线 证明 设抛物线的方程是 pxy2 2 0 p 假设抛物有渐近线 渐近线的方程是 易知 都不为 0 因为渐近线与抛物线baxy ab 相切于无穷远点 于是方程组 baxy pxy2 2 2 1 的两组解的倒数都是 0 将 2 代入 1 得 3 0 2 222 bxpabxa 设 是 3 的两个根 由韦达定理 可知 1 x 2 x 用心 爱心 专心4 2 21 2 a pab xx 2 2 21 a b xx 则 4 0 211 2 21 21 21 b pab xx xx xx 5 0 111 2 2 2121 b a xxxx 由 4 5 可推得 0 p 这于假设矛盾 0 p 所以 抛物线没有渐近线 关于不可能问题是几何中最常见也是非常重要的一种类型 由于它的结论是以否定形式出现 采用直接证法有困难 所以这类问题一般都使用反证法加以证明 四 证明 至少存在 或 不多于 问题 在几何中存在一类很特殊的问题 就是证明具有某种性质的图形至少有一个或不多于几个 由 于这类问题能找到直接论证的理论根据很少 用直接证法有一定困难 如果采用反证法 添加了否 定结论这个新的假设 就可以推出更多的结论 容易使命题获证 例 6 已知 四边形 ABCD 中 对角线 AC BD 1 求证 四边形中至少有一条边不小于 2 2 证明 假设四边形的边都小于 由于四边形中至少有一个角不是钝角 这