Matematický sofismus
Matematický sofismus (z řeckého σόφισμα - trik, mazaný vynález, hlavolam [1] ) je chybné matematické tvrzení získané pomocí uvažování, které se zdá správné, ale ve skutečnosti obsahuje tu či onu chybu [2] . Důvody chyby mohou být různé - použití akcí zakázaných v matematice (například dělení nulou ), nepřesné použití matematických zákonů nebo použití mimo zónu jejich použitelnosti, logické chyby atd.
Matematický sofismus je zvláštním případem sofismu . Dále v tomto článku hovoříme pouze o matematických sofismech, které se pro stručnost budou nazývat jednoduše sofismy. Sofismy by neměly být zaměňovány s vědeckými paradoxy (například Zenónovy aporie , narozeninový paradox nebo Banach-Tarski paradox ), které neobsahují chyby a často mají značnou vědeckou hodnotu [2] .
Rozbory sofismů, hledání chyb v nich jsou mimořádně cenné v rámci výuky matematiky [3] , pomáhají žákům a studentům jasně porozumět matematickým a logickým zákonitostem a také varují před možnými typickými chybami v aplikaci. těchto zákonů [2] [4] .
Historie
Proclus Diadochus (5. století n. l.) ve svých komentářích k „Principiím“ Euklida řekl, že i Euklides ve 3. století př. n. l. E. sestavil sbírku matematických sofismů na pomoc studentům geometrie; sbírka se jmenovala „ Pseudariya “ a dodnes se nedochovala. Smyslem sofismů je podle Procla naučit studenty odhalovat chyby v uvažování a v budoucnu se jim vyhýbat [4] .
Naučná literatura, ale i sbírky zábavné matematiky v budoucnu až do současnosti často obsahují sofismy s úkolem „najdi chybu“, na jejichž základě se vysvětlují matematická pravidla a prověřují se znalosti čtenářů.
Klasifikace sofismů
Možností seskupování sofismů je více – někteří autoři je seskupují podle typu matematických témat, jiní podle typu chyby v uvažování a jiní oba přístupy kombinují v té či oné podobě.
Ruský učitel V. I. Obreimov navrhl rozdělit sofismy podle druhu chybného výsledku [5] :
- Rovnost nerovných.
- Nerovnost rovných.
- Méně převyšuje více.
- Geometrické nekonzistence.
- Imaginární je reálné (chyby v uvažování o komplexních číslech ).
- Neřešitelné rovnice.
Tato klasifikace byla kritizována za to, že materiál spojuje různé úseky matematiky pro stejnou chybu, což je metodologicky nesprávné, a navíc klasifikační znaky nejsou dostatečně významné [6] .
Německý matematik Hermann Schubert uvažoval o čtyřech typech sofismů ("Mathematical Entertainment and Games", 1897) [6] :
- Dělení nulou .
- Nejednoznačnost odmocniny .
- Chyby v geometrických konstrukcích.
- Nesprávná práce s nekonečnem.
Kniha V. M. Bradise a dalších si všímá zjevné neúplnosti tohoto seznamu a nabízí své vlastní [7] :
- Nesprávná řeč.
- Rozšíření na výjimečné případy (například dělení nulou).
- Přiřazování vlastností určitého druhu celému rodu. Například obě strany nerovnosti lze snížit společným kladným faktorem, ale pokud je faktor záporný, je důležité nezapomenout obrátit znaménko nerovnosti.
- Špatná aplikace principu okamžité inference konverzí. Například rovnost čísel implikuje rovnost jejich druhých mocnin, ale obráceně to neplatí.
- Náhrada exaktních definic geometrickou intuicí.
- chyby při sestavování,
- Chyby vyplývající z doslovného výkladu zkrácené (podmíněné) formulace některých geometrických tvrzení.
- Porušení smyslu podmíněných záznamů.
- Vyhýbání se diplomové práci , tedy prokázání jiného než původně uváděného nároku.
Samotný materiál sofismů v knize Bradis a dalších je prezentován přísně podle témat: aritmetika, algebra, geometrie, trigonometrie , přibližné výpočty . Tento článek se také drží tematického členění látky jako nejvhodnějšího pro učitele a studenty.
Elementární matematika
Algebra
Dělení nulou
Sofismus . Nechť jsou libovolná čísla. Jejich rozdíl označíme písmenem , tedy Tuto rovnost vynásobíme Otevřít závorky:
Dále seskupíme monočleny takto: nebo:
Zmenšením dostaneme: to znamená, že všechna čísla jsou si rovna.
- Důvod chyby : protože nemáme právo zmenšit, protože tento výraz je roven nule a nulou nelze zmenšit (tedy dělit) [8] .
Dělení nulou je jednou z nejčastějších algebraických chyb a toto dělení lze zamaskovat například zmenšením společného činitele. Například zmenšením rovnice na ztratíme kořen . Dalším sofismem je rovnice:
Zmenšením nejen ztratíme jediný kořen rovnice, ale zároveň získáme další kořen , který není zahrnut v rozsahu přijatelných hodnot neznámé, protože radikální výraz pro se stává záporným [9] .
Nerovnosti
Sofismus 1 . Nechť jsou libovolná kladná čísla a Vynásobením této nerovnosti a odečtením od obou jejích částí dostaneme: Faktoring:
Snížením o (podmínkou se nerovná nule) dostaneme nerovnost: Odečtěte výsledek od obou částí : To znamená, že každé kladné číslo je zároveň záporné.
- Příčina chyby : obě části nerovnosti lze zmenšit společným nenulovým faktorem, ale pokud je tento faktor záporný, musí se znaménko nerovnosti obrátit. To je přesně ten případ, protože po zmenšení dostaneme: chyba byla odstraněna [10] .
Extrahování kořene
Sofismus 1 . Správná rovnost: lze zapsat jako: Vyjmutím druhé odmocniny získáme: odkud:
- Příčina chyby : z rovnosti druhých mocnin veličin vyplývá rovnost samotných veličin, pouze pokud mají stejná znaménka. Správná extrakce odmocniny dává výsledek s absolutní hodnotou : a pak se chyba nevyskytuje [11] .
Sofismus 2 . Na střední škole je zvýšení čísla definováno nejen na celé číslo, ale také na zlomkovou mocninu: Uvažujme sofismus dokazující, že .
- Příčina chyby : zvýšení na zlomkovou mocninu je definováno pouze pro nezáporná čísla [12] .
Sofismus 3 . Při zvyšování hodnot goniometrických funkcí na zlomkovou mocninu je třeba dávat pozor . Zdá se zřejmé, že když dostaneme chybnou rovnost: Již bylo vysvětleno výše, že aritmetická odmocnina druhé mocniny čísla je rovna absolutní hodnotě čísla, takže správný zápis je následující [13] :
Nesprávné podmínky problému
Sofismus 1 . Řešíme rovnici:
Kontrola: substituce prvního kořene v rovnici dává rovnost ; substituce druhého dává:
- Příčina chyby : Původní rovnice nemá řešení. To lze vidět ze skutečnosti, že levá strana je přísně větší než nula , protože je pod kořenem). Při kvadratuře se objevily dva cizí kořeny, ale kontrola je odmítla [14] .
Sofismus 2 . Vyřešme rovnici: kde je libovolné reálné číslo .
Vynásobením obou stran rovnice a následným sečtením rovnici převedeme do tvaru: Po vyjmutí třetí odmocniny dostaneme rovnici , odkud: to znamená, že všechna čísla jsou rovna nule.
- Důvod chyby : s neznámou jsme zacházeli jako s reálným číslem, ale jak můžete snadno vidět, původní rovnice nemá reálné kořeny (kromě případu ), protože je diskriminační Pokud rovnici uvažujeme v soustavě komplexních čísla , pak jsou všechny úvahy před extrakcí kubických odmocnin správné, ale komplexní krychlová odmocnina má tři hodnoty, takže rovnost krychlí neimplikuje rovnost samotných veličin [15] .
Geometrie
Sofismus 1 . Rozřízneme trojúhelník na čtyři části, jak je znázorněno v horní části obrázku, a z těchto částí pak vytvarujeme nový trojúhelník stejné velikosti, jak je znázorněno ve spodní části obrázku. Z přeskupení dílů se celková plocha změní o jednu buňku!
- Důvod chyby : čára, která se zdá být přeponou trojúhelníku, je ve skutečnosti přerušovaná čára, to znamená, že dotyčný obrazec není trojúhelník, ale čtyřúhelník . To lze snadno odvodit z toho, že v červeném trojúhelníku je poměr nohou 3:8 a v modrém 2:5, což je o něco větší. To znamená, že přerušovaná čára horního obrázku je mírně konkávní, čára dolního obrázku je mírně konvexní a rozdíl v ploše dává pouze buňku „navíc“ [16] .
Tento sofismus má mnoho možností, z nichž jedna je znázorněna na obrázku: posunutím částí obdélníku s plochou získáme obdélník s plochou . Důvod je podobný: díra o ploše kostky buňka je protažena podél úhlopříčky druhého obdélníku.
Sofismus 2 . Budeme spoléhat na znaménko : dva trojúhelníky jsou stejné, pokud mají dvě stejné strany a jeden z úhlů. Trojúhelníky ABC a ABC' mají stejný úhel a dvě strany ( společná strana, ), a proto jsou trojúhelníky stejné, což odporuje konstrukci na obrázku (úhly a nejsou rovny 90°, takže body C a C' nejsou shodují se).
- Příčina chyby : nedbalá a tedy chybná formulace kritéria rovnosti trojúhelníků, správně: " dva trojúhelníky jsou si rovny, pokud mají dvě stejné strany a úhel mezi nimi ." Ve skutečnosti lze tento sofismus považovat za přesvědčivé vyvrácení chybného znamení [17] .
Sofismus 3 : „všechny trojúhelníky jsou rovnoramenné“ (často připisováno Lewisi Carrollovi [18] ) [19] . Uvažujme libovolný trojúhelník ABC (viz obrázek). Osa úhlu A a kolmice ke středu strany BC se protínají v nějakém bodě O. Pusťme kolmice OR (na stranu AB) a OQ (na stranu AC) z bodu O a také spojme O s vrcholy B a C ..
Pravoúhlé trojúhelníky RAO a QAO jsou shodné, protože mají stejnou stranu (AO) a úhel (∠RAO = ∠QAO). Pravoúhlé trojúhelníky ROB a QOC jsou si rovny, protože mají dvě stejné strany: BO = OC a RO = OQ. Ale pak AR = AQ, RB = QC a strana AB = AR + RB = AQ + QC = AC je rovnoramenný trojúhelník.
- Příčina chyby : záměrně zkreslená kresba. Pokud se to udělá opatrně, bod O nebude uvnitř, ale vně trojúhelníku (na kružnici opsané kolem trojúhelníku ). V tomto případě je jeden z bodů R a Q na straně trojúhelníku a druhý na pokračování druhé strany: pokud je strana , pak R je uvnitř, Q je venku, jinak naopak. V prvním případě - mínus místo plus; druhý případ je analyzován podobně [20] .
Trigonometrie
Sofismus . Uvažujme dobře známou goniometrickou identitu : V každém trojúhelníku je tedy součet úhlů na jedné straně stejný podle identity a na druhé straně jsou tedy úhly také stejné: Odečtením této rovnosti od identity: dostaneme: nebo Závěr: jakýkoli trojúhelník je pravoúhlý .
- Důvod chyby : rovnost skutečně nastává pro jakýkoli trojúhelník, ale rovnost úhlů z ní nevyplývá - to ukazuje i vzorec Při libovolných dvou úhlech, které se doplňují k sinusu, jsou stejné [21] .
Důkaz indukcí
Sofismus . Dokažme, že všichni koně jsou stejné barvy. Důkazem je indukce na počtu koní. Když je tvrzení triviální. Nechte všechna stáda koní stejné barvy; dokázat pro stádo koní. Odeberme jednoho koně; všechny zbývající mají stejnou barvu podle indukční hypotézy. Vrátíme koně do stáda a vezmeme dalšího koně. Pak se ukáže, že předtím oddělený kůň je stejné barvy.
- Příčina chyby : druhá část důkazu nefunguje při přechodu od do (trik s oddělením koně pak nic nedokazuje) [22] .
Tento vtipný sofismus má zajímavou variaci: důkaz tvrzení, že všechna celá čísla jsou si rovna. Dokažme indukcí na délce segmentu přirozených čísel . Když je v segmentu pouze jedno číslo a tvrzení je pravdivé. Nechť tvrzení platí pro první čísla, dokažme pro Vezměme dvě libovolná čísla Induktivním předpokladem, ale pak ■ Chyba je zde podobná jako v předchozím: pro segment délky 2 přesahuje hodnota induktivní předpoklad , ničí logiku důkazu [23] .
Vyšší matematika
Komplexní čísla
Sofismus 1 . Pomyslná jednotka je definována jako ano Ale ukazuje se, že
Sofismus 2 . Pozvedněme známou identitu na moc . Nalevo se to zjevně ukáže napravo 1. V důsledku toho: což, jak lze snadno ověřit, je špatně.
- Příčina chyby : zvýšení na komplexní mocninu dává výsledek s více hodnotami, takže zde pravidlo neplatí, musíte použít obecnou definici (viz Komplexní mocnina ); Pečlivé použití vzorců pro stanovení komplexního stupně dává vlevo a vpravo, odtud je vidět, že kořenem chyby je záměna hodnot tohoto výrazu pro a pro
Limity funkcí
Sofismus 1 . Najdeme limitu výrazu , kdy Pokud nejprve aspirujeme , pak limita je (bez ohledu na hodnotu ), a pokud začneme od toho limita je Ukáže se, že libovolné číslo je rovno své inverzní.
- Příčina chyby : ve skutečnosti je chyba pouze v konečném výstupu. Permutace řádu dílčích limit , obecně řečeno, může změnit výsledek [25] .
Akce s nekonečnými řadami
Sofismus 1 . Uvažujme nekonečnou řadu pro přirozený logaritmus , získanou z Mercatorovy řady s
Seskupme pojmy se stejnými znaky:
Kombinací prvních dvou závorek a přidáním faktoru 2 do třetí závorky dostaneme rozdíl dvou stejných hodnot, tedy nulu, i když se nule nerovná:
- Příčina chyby : ne každé přeskupení členů řady je povoleno, platí pouze pro absolutně konvergentní řady . Nesprávná je zejména reprezentace konvergentní počáteční řady jako rozdílu dvou divergentních řad. Řada se nazývá „ harmonická “ a liší se, i když se od původní liší pouze ve znacích termínů [26] .
Integrace
Neurčitý integrál
Sofismus . Integrujeme dvě identity:
Výsledek:
Odečtením druhé od první rovnice dostaneme:
zatímco právo by mělo být 1.
Určitý integrál
Sofismus 1 . Pojďme najít integrál kladné funkce pomocí Newton-Leibnizova vzorce :
Integrál pozitivní funkce se ukázal být záporný ("D'Alembertův paradox", 1768) [28] .
- Příčina chyby : integrand je nespojitý (a neomezený) na nule, takže na něj nelze použít Newtonův-Leibnizův vzorec .
Sofismus 2 . Pojďme najít integrál kladné funkce metodou změny proměnné :
Zavedeme novou proměnnou ; segment integrace pro přejde do segmentu pro :
Správná odpověď:
- Příčina chyby : při nahrazení proměnné musí být staré a nové proměnné v souladu jedna ku jedné , jinak není inverzní funkce definována [29] ; v sofismu je toto pravidlo porušováno.
Jiná sofistika
Několik dalších příkladů sofismů a paradoxních závěrů, které vyvolaly živou diskusi ve vědecké komunitě:
Poznámky
- ↑ Sofismus // Sovětský encyklopedický slovník. - 2. vyd. - M . : Sovětská encyklopedie, 1982. - S. 1241. - 1600 s.
- ↑ 1 2 3 Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 3-4.
- ↑ Sergeeva L. V. Využití matematických sofismů v hodinách matematiky . Staženo: 7. března 2020. (Ruština)
- ↑ 1 2 Bradis a kol., 1959 , str. 7-11.
- ↑ Obreimov, 1889 .
- ↑ 1 2 Bradis a kol., 1959 , str. 11-14.
- ↑ Bradis a kol., 1959 .
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 9.
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 65-66.
- ↑ Bradis a kol., 1959 , str. 89-90.
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 6.
- ↑ Mordkovich A. G. Algebra a začátek analýzy. Učebnice pro ročníky 10-11, díl 1. - ed. 4. - M .: Mněmozina, 2003. - S. 253-255. — 376 s.
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 16.
- ↑ Bradis a kol., 1959 , str. 58.
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 7-8, 66-67.
- ↑ Paradox kari trojúhelníku . Získáno 31. srpna 2019. Archivováno z originálu 31. srpna 2019. (neurčitý)
- ↑ Pro analýzu problému sestrojení trojúhelníku na dvou stranách a úhlu, který mezi nimi není, viz článek Řešení trojúhelníků nebo v referenční knize: Vygodsky M. Ya. Handbook of elementary mathematics. - M .: Nauka, 1978. - S. 294.
- ↑ Ve skutečnosti byl sofismus poprvé publikován v knize: Ball WWR Mathematical Recreations and Essays (1892), ze které jej Carroll převzal.
- ↑ Robin Wilson (2008), Lewis Carroll in Numberland , Penguin Books, str. 169–170, ISBN 978-0-14-101610-8
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 21-23, 81-82.
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 45-46, 66-67.
- ↑ Poya, D. Matematika a věrohodné uvažování. - Ed. 2., opraveno. - M .: Nauka, 1975. - S. 140.
- ↑ Fedin S. N. Matematici také vtipkují . - 4. vyd. — M .: URSS , 2012. — S. 274. — 216 s. - ISBN 978-5-397-02435-8 .
- ↑ Bradis a kol., 1959 , str. 81-82.
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 17, 76.
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 15, 73-75.
- ↑ Madera A. G., Madera D. A., 2003 , s. 39, 94.
- ↑ Markov S. N. Kurz dějin matematiky: učebnice . - Irkutsk: Irkutsk University Publishing House, 1995. - S. 167 . — 248 s. — ISBN 5-7430-0496-X .
- ↑ Schneider V. E. et al. Krátký kurz vyšší matematiky. Proč. příspěvek pro vysoké školy . - M . : Vyšší škola, 1972. - 640 s.
Literatura
- Bradis V. M. Minkovsky V. L., Kharcheva A. K. Chyby v matematickém uvažování. - 2. vyd. - M. : Uchpedgiz, 1959. - 177 s.
- 3. vydání: M.: Osvícení, 1967. - 191 s.
- Gardner, Martin . Geometrické klamy (kapitola 6) // Tic-Tac-Toe. — M .: Mir, 1988. — 325 s. — ISBN 5-03-001234-6 .
- Gardner, Martin . Matematické sofismy (kapitola 13) // Matematické hádanky a zábava. — M .: Mir, 1971. — 511 s.
- Dvoryaninov SV Výuka matematiky a sofismu // Matematické vzdělávání. - 2007. - č. 1 (41).
- Madera A. G. , Madera D. A. Matematické sofismy. Věrohodná úvaha vedoucí k chybným tvrzením / Kniha pro žáky 7.–11. - M . : Vzdělávání, 2003. - 112 s. — ISBN 5-09-010795-5 .
- Nagibin F. F., Kanin E. S. Matematické sofismy // Matematická rakev. Studentská pomůcka. — Vydání 4. - M .: Vzdělávání, 1984.
- Obreimov V. I. Matematické sofismy. - 2. vyd. - Petrohrad. : F. Pavlenkov, 1889. - 79 s.
- Perelman Ya. I. Dvakrát dva pět! (Matematické sofismy) . - L . : DZN, 1839. - 16 s.
- Furre, Emil. Geometrické hádanky a paralogismy . - Odessa: Mathesis, 1912. - 52 s.
- Parta, Bryan. Matematické bludy a paradoxy . - Dover Publications, 1997. - 240 s. — (Doverské knihy o matematice). — ISBN 978-0486296647 .
Odkazy
- Klasické bludy . Staženo: 28. března 2020.