Виды доказательств по структуре

ПС	Прямое доказательство	Косвенное доказательство
Задача	найти убедительные основания, из которых логически вытекает тезис.	установить справедливость тезиса тем, что вскрыть ошибочность противоположного ему допущения, антитезиса.
Путь	1. Найти признанные обоснованными утверждения, которые будут убедительны; 2. Установить логическую связь между найденными основаниями и тезисом.	1. Выдвигается антитезис; 2. Из него выводятся следствия с намерением найти среди них хотя бы одно ложное; 3. Устанавливается, что в числе следствий действительно есть ложное; 4. Делается вывод, что антитезис неверен; 5. Из ложности антитезиса делается заключение, что тезис является истинным.
Пример	Нужно доказать, что кометы подчиняются действию законов небесной механики. Все космические тела подпадают под действие законов небесной механики. Кометы – космические тела. _________________ Следовательно, кометы подчиняются данным законам.	Врач, убеждая пациента, что тот не болен ангиной, рассуждает так. Если бы действительно была ангина, имелись бы характерные симптомы: острая боль в горле, головная боль, повышенная температура и т.п. Но ничего подобного нет. _______________ Значит, нет и ангины.

Образцом использования правил рассуждения является математика. К математическому доказательству предъявляются строгие требования. Большинство шагов математического доказательства – это применение правил модус поненс и модус толленс. Математики стремятся в доказательстве использовать наименьший возможный набор аксиом и правил вывода. Это позволяет минимизировать внутренние противоречия. Доказательство в математике – это индуктивный аргумент, который основывается на других доказательствах, которые уже установлены (теоремах), или самоочевидно истинных утверждениях (аксиомах). Каждый шаг доказательства должен опираться на уже известное.

Очень редко, если это возможно, доказательство может заключаться в проверке всех вариантов. Например, если у нас есть гипотеза, касающаяся только всех чётных чисел от 2 до 400, мы можем проверить, все ли эти числа удовлетворяют заданным условиям.

Простая проверка не является достаточным основанием для доказательства в математике. В 1742 г. Отечественный математик Христиан Гольдбах выдвинул гипотезу: всякое натуральное число^[8] n, начиная с шести, есть сумма трёх простых чисел. Для небольших n гипотезу Гольдбаха можно проверить непосредственно; например, 96 = 2 + 47 + 47. С другой стороны, для очень больших нечётных чисел гипотеза тоже верна: как доказал в 1937 году И.М. Виноградов, гипотеза Гольдбаха верна для всех нечётных n, больших некоторого громадного n₀. Из анализа доказательства Виноградова вытекало, что в качестве n₀ можно взять, например, число 314348907, требующее свыше шести с половиной миллионов знаков для своей десятичной записи. Оставалось проверить все нечётные числа от 7 до названного числа, и для нечётных чисел гипотеза Гольдбаха окажется либо доказанной, либо опровергнутой. Проверка такого рода представляется пока что нереальной. Поэтому гипотеза Гольдбаха остаётся недоказанной, несмотря на то, что на компьютерах её проверили до 4•10¹⁸ (4 000 000 000 000 000 000).

В математике положение считается доказанным только тогда, когда оно выведено как неизбежное логическое следствие из посылок, признаваемых справедливыми. Можно предполагать, что теорема справедлива во всей общности, если она подтверждается на большом числе примеров. В этом случае предпринимается попытка доказать её с помощью метода математической индукции. Если это подтверждается, то справедливость теоремы считается установленной. Если нет – вопрос о верности теоремы остаётся открытым (она может быть как доказана, так и опровергнута каким то иным методом).

Математики выработали несколько основных схем доказательств:

• доказательство методом перебора (проверяется всё возможное число ситуаций).

Например, требуется доказать, что целых неотрицательных чисел, меньше числа 420, нет других корней уравнения

(х + 2008)∙(х – 3)∙(х - 216)∙(х – 548) = 0

кроме чисел 3 и 216.

Доказательство: последовательно перебирая числа 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,… 213, 214, 215, 216, 217, … 417, 418, 419 и подставляя их в уравнение, убеждаемся, что ни одно из них не обращает в нуль левую часть.

Такой метод применяется, но он трудоёмкий и математики, как правило, стремятся найти более короткий путь.

• прямое конструктивное доказательство (указать и построить объект с данными свойствами или представить способ решения уравнения и задачи). Например, докажем, что существуют иррациональные числа. √2 – иррациональное число. Прямое доказательство выглядит так: Предположим, что этот корень рационален и выражается дробью m / n. Тогда

(m / n)² = 2, m² = 2 n² .

Рассмотрим равнобедренный треугольник с боковыми сторонами длины n и основанием длины m^. По обратной теореме Пифагора^[9] этот треугольник прямоугольный, причём единичный отрезок укладывается в его катет n раз, а в гипотенузе m раз. Следовательно, единичный отрезок служит общей мерой катета и гипотенузы этого равнобедренного треугольника, так что они соизмеримы, чего не может быть.

• косвенные доказательства существования (обоснование того факта, что искомый объект существует, происходит без прямого указания такого объекта).

Например, докажем, что существуют иррациональные числа косвенным образом. Множество всех рациональных чисел счётно, а множество всех действительных чисел несчётно; значит, бывают и числа, не являющиеся рациональными, то есть иррациональные.

•доказательство способом «от противного» (делается предположение, что верно утверждение, противоположное, тому утверждению, которое требуется доказать. Первое утверждение приводят к противоречию и заключается, что первое утверждение неверно, а верно второе утверждение, которое требовалось доказать).

Например, дан треугольник и два его неравных угла. Требуется доказать утверждение A: против большего угла лежит большая сторона. Делаем противоположное предположение B: сторона, лежащая в нашем треугольнике против большего угла, меньше или равна стороне, лежащей против меньшего угла. Предположение Bвступает в противоречие с теоремой о том, что в любом треугольнике против равных сторон лежат равные углы, а если стороны неравны, то против большей стороны лежит больший угол. Значит, предположение Bневерно, а верно утверждение A.

• математическая индукция (установление некоторого свойства, которым обладает элементарный объект, являющийся родоначальником для всех объектов данной предметной области, и все эти объекты обладают данным свойством. Истинность посылок гарантирует истинность заключения, полученного в дедуктивном рассуждении).

Применяя некоторое логическое рассуждение к произвольному натуральному числу, возможно убедиться, что Aистинно для этого произвольного числа, а тем самым — что A(n) истинно для всех n. Необходимо установить истинность базиса индукции (рассматриваемое утверждение A верно при n= k)и истинности индукционного перехода – шага индукции (n= k+1)). Из истинности частной формулировки A(n) вытекает истинность частной формулировки A(n+1).

Например, докажем неравенство

(1+α)ⁿ ≥ 1+nα,

где α ≥ −1.

Базис индукции выполнен, так как при n=1 левая и правая части одинаковы.

Шаг индукции начинаем с предположения, что утверждение верно при n = k.

Посылка шага индукции есть

(1+α)^k ≥ 1+ka.

Умножая это неравенство на неотрицательное число 1+α, имеем

(1+α)^k+1 ≥ (1+kα)∙(1+α).

Переписываем неравенство так:

(1+α)^k+1 ≥ 1+(k+1)∙α+kα².

Отбрасывая в правой части неотрицательное слагаемое kα², получаем:

(1+α)^k+1 ≥ 1+(k+1)∙α.

Это есть заключение шага индукции^[10].

Частное наблюдение приводит к общему математическому результату. Принцип математической индукции позволяет делать заключения об истинности универсальной формулировки после установления истинности базиса индукции и индукционного перехода.

• аксиоматический метод (перечисляются исходные понятия и положения, которые записаны в виде аксиом, указываются разрешённые логические переходы и из них выводятся теоремы).

Нынешний способ рассуждать о математике был формализован Евклидом (325 – 265 гг. до н.э.). В этой системе за определениями следуют аксиомы, а потом теоремы. Так была создана парадигма (пример, образец), которой математики следуют на протяжении всей истории. Утверждение, которое доказано сегодня методами, выведенными Евклидом в его «Началах», останется верным и через тысячу лет.

В первой книге «Начал» приводится полный список определений, а затем формулируются постулаты (требования, основы геометрических алгоритмов) и аксиомы. Постулаты и аксиомы выражают основные свойства пространственных форм описанных в определениях.

Постулаты – это требование считать всегда «идеально» осуществимыми некоторые элементарные построения, к конечным цепочкам которых сводятся построения геометрических фигур в «Началах».

«Допустим:

1. Что от всякой точки до всякой точки <можно> провести прямую линию

2. И что ограниченную прямую <можно> непрерывно продолжить по прямой.

3. И что из всякого центра и всяким раствором <может быть> описан круг.

4.И что все прямые углы равны между собой.

5. И если прямая, падающая на две прямые, образует внутренние и по одну сторону углы, меньшие двух прямых, то продолженные эти две прямые неограниченно встретятся с той стороны, где углы меньше двух прямых».

Аксиомы Евклида – это описания свойств любых величин, которые рассматриваются как предельные и всеобщие истины.

«1. Равные одному и тому же равны и между собой.

2. И если к равным прибавляются равные, то и целые будут равны.

3. И если от равных отнимаются равные, то остатки будут равны.

4. И если к неравным прибавляются равные, то целые будут не равны.

5. И удвоенные одного и того же равны между собой.

6. И половины одного и того же равны между собой.

7. И совмещающиеся друг с другом равны между собой.

8. И целое больше части.

9. И две прямые не содержат пространства»

Аксиомы, которые имеют значение правил вывода, постулаты и логика Аристотеля - составляют основу доказательства «Начал». Евклид заложил основу содержательной аксиоматизации – когда математическая (физическая) теории строятся на основе содержательной системы аксиом, описывающих основные свойства, отношения и связи объектов из одной области объектов. Причём объекты получают прямое описание, определение до задания списка аксиом.

Во второй половине XIX века полуформальный аксиоматический метод получил широкое распространение. Его особенность в том, что понятия об основных объектах математической теории не получают конкретного истолкования или прямого определения. С помощью списка относящихся к ним аксиом объекты определяются косвенно. Аксиомы задаются как описания структуры основных объектов и отношений, связей в которые они могут вступать. Такие области объектов называют моделями или интерпретацией аксиоматизированной теории. После открытия гиперболической геометрии (Н.И. Лобачевским, Я. Больяи и К. Гауссом) стало ясно, что аксиомы – это не абсолютные истины, отрицать которые недопустимо, а утверждения локального действия, гипотезы, которые необходимо проверять. Проверка может представлять собой опытное подтверждение, либо через сведение к ранее установленным математическим истинам. Полуформальное аксиоматическое построение математической теории начинается с перечня: изучаемых основных объектов, отношений и связей, в которых эти объекты могут находиться; принимаемых без доказательства аксиом, задающих полное описание структуры возможных отношений и связей основных объектов. Каждое неосновное понятие теории должно сводиться к основным понятиям с помощью определений. Положения, высказываемые относительно объектов, должны доказываться логически, при помощи принятых аксиом.

В конце XIX века выдающийся немецкий математик Д. Гильберт описал аксиоматический метод как самостоятельную теорию на примере геометрии («Основания геометрии», 1899) и формализовал аксиоматический метод. Его идеи имели большое воздействие на математику^[11].

Полуформальная аксиоматизация коснулась не только математических дисциплин (теория множеств, алгебра, топология, метрическая геометрия), но и некоторых разделов естествознания и техники^[12].

Ещё Архимед применил аксиоматический метод за границами математики. Он представил основы теоретической статики на базе системы аксиом (в работе «О равновесии плоских фигур, или о центрах тяжести плоских фигур»). Ньютон развил аксиоматическую концепцию динамики. Осуществлена аксиоматизация термодинамики и специальной теории относительности.

Математика живёт внутри аналитической системы, созданной самими математиками. Она сконструирована так, что её результаты надёжны и воспроизводимы. Математические и логические предложения представляют собой принятые правила употребления знаков, они ничего не говорят о фактах физического мира, хотя и могут быть использованы для его описания.

Доказательство в естествознании имеет свою отличительную особенность, связанную с исследуемыми предметом и используемыми методами. Естественные науки формировались как описание на основе наблюдений и экспериментов пространственно-временных процессов, материальных объектов и их отношений. Воспроизводимые контролируемые наблюдения и эксперименты^[13] считаются в естественных науках лучшим критерием истинности. Для проверки утверждения ставят опыты в лаборатории. Излагая результаты, обязательно описывают основные фазы проводимых экспериментов, чтобы коллеги их могли воспроизвести сами. В ХХ веке с развитием теоретических разделов физики, астрономии и химии, сложилась практика доказательства и проверки результатов при помощи математических моделей исследуемых объектов. Принцип верификации (от лат. Verificare – доказывать истину) предполагает, что истинность научного высказывания удостоверяется путём опытной проверки.