问题 1 · 一个方程有没有解?
x + 3 = 2,你会怎样回答?
在这个范围内无解。
自然数中没有 −1。
在这个范围内有解。
整数包括负整数、0 和正整数。
两种回答可以同时正确,因为它们说的是不同的范围。以后遇到“方程有没有解”“一个式子总成立吗”,都要先看:允许字母取哪些值?
学集合的用处:把“允许讨论哪些数”明确写出来。以后学习解集、函数的定义域,都要用到这个习惯。
绪论 · 从十个熟悉的问题出发
因为你会越来越常遇到三个问题:我们在讨论什么?条件到底说了什么?为什么结论一定成立?
“偶数”包括哪些数?
两个条件都满足的数在哪里?
“如果……那么……”能反过来吗?
“不是所有”是什么意思?
试过几个例子够了吗?
这一步的依据是什么?
你已经会计算,也认识偶数、质数和三角形。我们就从这些熟悉的知识开始。先试着回答下面的问题,再看看这些新语言能帮上什么忙。
不需要预先认识逻辑符号。遇到“想一想”,可以先停下来;再点击展开说明。带 *** 的内容只作远处的预告。
集合 · 先说清讨论哪些对象
问题 1 · 一个方程有没有解?
在这个范围内无解。
自然数中没有 −1。
在这个范围内有解。
整数包括负整数、0 和正整数。
两种回答可以同时正确,因为它们说的是不同的范围。以后遇到“方程有没有解”“一个式子总成立吗”,都要先看:允许字母取哪些值?
学集合的用处:把“允许讨论哪些数”明确写出来。以后学习解集、函数的定义域,都要用到这个习惯。
问题 2 · “而且”和“或者”,差在哪里?
我们给出两个条件:“是偶数”“是 3 的倍数”。把连接它们的词换一下,会选出同样的数吗?
只讨论 1~12。A 是其中的偶数,B 是其中 3 的倍数。
而且 → 交集 A ∩ B = {6, 12}
交集表示“既属于 A,又属于 B”,所以与“而且”对应。并集表示“属于 A 或属于 B”,所以与“或者”对应。
这里的“或者”允许两个条件同时满足。因此,6 和 12 在两种选法中都会被选中。“或者”选出的完整结果是 {2, 3, 4, 6, 8, 9, 10, 12}。
以后能用在哪里:解不等式组时,要保留同时满足各个不等式的数;把几种可能情况合在一起时,会用到并集。集合语言和条件语言描述的是同一批对象。
逻辑 · 读懂一句话究竟说了什么
问题 3 · 推理能反过来吗?
这个方向成立。
还可能是 x = −1。
在整数范围内,1 和 −1 的平方都等于 1。平方以后,我们丢失了原数正负的信息。
学逻辑的用处:检查解题的每一步能不能倒推。以后解方程时,这能帮助你理解为什么某些变形之后还需要检验。
问题 4 · 性质够不够用来判断?
按照通常的数学定义,正方形也是长方形。因此,“正方形都是长方形”成立;“长方形都是正方形”不成立。
在四个角都是直角的基础上,还需要四条边都相等。只检查一部分条件,可能把本来不符合要求的图形也选进来。
这也能用集合来表达:正方形组成的集合,包含在长方形组成的集合里。集合中的“包含”与条件命题中的方向,又联系起来了。
以后能用在哪里:几何中的“性质”和“判定”经常涉及不同方向。读定理时,分清已知条件与要得到的结论,就不容易把定理用反。
问题 5 · 一个例外有多大力量?
它们确实都是奇数。可是,我们还漏了一个:
一个反例推翻了“所有质数都是奇数”,却没有推翻“有些质数是奇数”。例如,3 仍然是奇质数。
“所有”“有一个”“没有一个”都是重要的数学语言。以后我们会用“量词”来研究它们。
学逻辑的用处:读懂“总成立”“至少有一个”“不一定”这些词。读题、找反例、理解函数性质时,它们会反复出现。
证明 · 解释为什么一定成立
问题 6 · 偶数加偶数,为什么还是偶数?
先用 4 + 6 看懂“成对”的意思
把两组完整的“对”放在一起,仍然没有落单的点。
这幅图展示一个例子。下面用字母说明任意两个偶数。
证明里的每一行都能回答“凭什么”。而且,字母没有指定具体数值,所以这个理由能用于任意两个偶数,也包括 0 和负偶数。
学证明的用处:遇到一个新概念时,会先打开它的定义,看看定义提供了什么。这个方法可以一直用到高中,甚至更远。
问题 7 · 连续算对很多次,就能下结论吗?
把正整数 n 依次放进算式 n² + n + 11。先看看前几次会发生什么。
前五次的结果都是质数。接下来的呢?
举例很有用。它帮助我们发现规律、提出猜想,也可能帮助我们找到反例。这里 n = 10 时,10² + 10 + 11 = 121 = 11 × 11,所以“对所有正整数都得到质数”是假的。
如果讨论的对象无限多,检查其中有限个例子,通常还不能证明“全部如此”。如果对象总共只有有限个,并且确实逐一检查完了,那又是另一回事。
学证明的用处:分清“我发现了一个可能的规律”和“我已经说明它一定成立”。以后观察数列、图形和代数式时,这种区分很重要。
问题 8 · 算出答案,与说明答案有什么联系?
先把理由接起来:
等腰三角形的两个底角相等,所以把它们都记作 x。
三角形的内角和是 180°,所以:
这段说明使用了“等腰三角形的底角相等”和“三角形内角和为 180°”这两个已知结论。图帮助我们理解关系;理由说明两个底角为什么一定都是 50°。
学证明的用处:把你已经会做的计算,写成别人能检查的推理。以后几何证明变长了,仍然是在逐步说明“这一行从哪里来”。
向前看 · 这套语言还能说些什么
问题 9 · 不同的数,能对应同一个结果吗?
每个输入都有唯一的输出;不同输入可以得到相同输出。
以后学习函数时,我们会问:输入从哪个集合里选?每个输入是否都有结果?这个结果是不是唯一的?
这里,−2 和 2 都得到 4,没有违反“每个输入只有一个结果”。但如果只告诉你结果是 4,你还不能唯一确定原来的整数。
集合与逻辑一起帮忙:集合说明输入、输出的范围;“每个”“存在”“唯一”说明对应需要满足的条件。熟悉这些词,能帮助你读懂函数的定义。
问题 10 · 越来越接近,究竟是什么意思?
每次多写一个 9,就得到一个新的有限小数。它到 1 的距离会怎样变化?
滑块只展示有限个例子。每多写一个 9,差距就缩小到原来的十分之一。
“一直靠近”还不够明确。数学会进一步把要求说清楚:
无论你要求差距小于哪个正数,总能找到某一项,使得从那一项起的所有项都满足要求。
注意“无论”“总能找到”“所有”。这些词正是前面逻辑语言的延伸。它们让“越来越接近”变成一个可以检查的数学要求。
0.99999 只有五个 9,它与 1 相差 0.00001。
无限小数 0.999… 的意义,要用这些有限小数 0.9、0.99、0.999、……的极限来定义。这一列数的极限是 1,所以 0.999… = 1。
这里没有“最后一位 9”,也没有“在无穷远处终于出现的一项”。每个有限项小于 1,与整列数的极限等于 1,并不矛盾。
给这一列数起名字:an = 1 − 10−n,其中 n 是正整数,10−n 就是 1/10n。
读作:对每个正数 ε,都能找到一个正整数 N,使所有编号大于 N 的项,到 1 的距离都小于 ε。这里 ℕ 表示正整数的集合。
例如,要求差距严格小于 0.001,可以取 N = 3。第 3 项还差 0.001;所有 n > 3 的项,都符合要求。
这不是本绪论的学习要求,也不用背。它只是展示:集合、字母和逻辑词,能够组成非常精确的数学句子。
为什么值得提前认识这些语言:以后面对更长的定义,你可以逐层追问“哪些对象”“任意还是存在”“条件和结论是什么”,一步步读懂它。
回到中学六年 · 早认识,反复用
两周可以开始认识这些语言。接下来,每学一个新章节,都有机会重新使用它们。
| 现在开始练 | 初中数学中 | 高中数学中 |
|---|---|---|
| 先看讨论范围 | 数的分类,方程与不等式的解集 | 定义域、取值范围、参数的范围 |
| 分清条件的方向 | 性质与判定,检查代数变形 | 充分必要条件,等价变形 |
| 留意“所有”与“存在” | 找反例,读懂“至少一个”“不一定” | 函数性质,“恒成立”与“存在解” |
| 从定义找依据 | 偶数、质数、几何图形的证明 | 函数、数列、不等式的论证 |
| 把理由接成完整的链 | 解释计算步骤,书写几何证明 | 组织较长的证明和分类讨论 |
比如,以后做一道不等式题,可以问“答案为什么要取交集”;学一条几何定理,可以问“反过来成立吗”;看出一条数列规律,可以问“这还是猜想,还是已经有了证明”。
学完入门之后,可以用下面四个问题检查自己是否开始会用了:
把两周的目标定为初步理解和使用。让学生用自己的话解释条件、找一个反例、写几段简单证明,比一次记住很多术语更适合作为入门要求。
后续每学一个新章节,可挑一两道熟悉的题,重新使用上述四个问题。计算练习、图形观察和具体知识的学习仍然需要继续。
本页说明的是这些内容与后续数学的具体联系,并不保证某个学生学完两周就能在六年中持续提高多少分。应根据学生的基础、兴趣和实际理解调整深度。
当你开始主动追问条件和理由时,你就在学习怎样把数学说清楚。
从熟悉的数和图形开始,进入教材 →本页是《把数学说清楚》的独立绪论。十个例子用于引发兴趣和说明学习价值,不要求学生在阅读前掌握形式逻辑或微积分。
上述标准支持推理与论证作为数学学习目标;它们不构成对本页所建议的两周入门安排的效果验证。页面中的具体例子、互动和讲解为本导读编写。