重视反例
SCIbird
说明:建议所有读者将本文中提及的那些著名分析反例,亲自动手推导一遍。
本文是自己几年前的网上长文《如何提高自身数学水平》的扩展文章,重
点介绍数学中的反例。
反例是数学中的重要组成部分,但在教学中因为某些原因被低估了,原因
或者因为有的反例证明太难(所用数学工具较深),或者是纯粹技巧性的构造(没
有一般性),甚至或者认为“破坏”了数学的和谐性等等。
按笔者观点,反例属于数学中的“否定性定理”范畴,可能在某种程度上
限制了我们认识数学的边界。但换一个角度讲,很多反例的存在使得数学多了
层次性,反而激发了活力,打开了一个新的世界,比如:连续函数--光滑函数--
解析函数。
最有名的反例之一要数“单位正方形的对角线长度不能表示成两个正整数之比”了,即2是无理数,这个反例引发了无理数井喷。如果耐心一些,细数
数学分析教材(如《数学分析新讲》)中的反例,还是挺多的。
简单一点的反例,如举出一个光滑函数,不存在泰勒级数,这个反例是函
数:1/(),0;()0,0xfxexfxx−=>=≤. 这个函数在0x=点的任意阶导数均
为0,因此 这个函数在0x=点的泰勒级数恒为0,矛盾。
其它例子,如直观上,收敛的广义积分
0()fxdx∞<∞∫ 似乎应该有 lim()0xfx→∞=
如果()fx非负,则结论成立;如果()fx变号,则不一定成立,如2()sinfxx=.
级数方面,众所周知的结论是11
nn∞
==+∞∑,但是11,1pnpn∞
=<+∞>∑. 于是猜想:对正项级数,当1()naon=,是否有级数1nna∞
=<+∞∑. 直观上,似乎是对的,但是级数21lnnnn∞
==+∞∑就是这个猜想的反例。
上述几个例子都是与直观相违背的,这梯形我们在学习数学中不能丢弃直
观思维的启发,但直观想象不能代替严格的数学证明,想当然的习惯要不得。
可能有朋友还是有这种感觉,上面的例子还是有些做做,似乎是show技巧。