Matematikai szofizmus

A matematikai szofizmus (a görög σόφισμα szóból - trükk, ravasz találmány, rejtvény [1] ) egy hibás matematikai állítás, amelyet érveléssel nyernek, és amely helyesnek tűnik, de a valóságban egy-egy hibát tartalmaz [2] . A hiba okai sokfélék lehetnek - a matematikában tiltott műveletek használata (például nullával való osztás ), a matematikai törvények pontatlan használata vagy az alkalmazhatóság zónáján kívüli használat, logikai hibák stb.

A matematikai szofizmus a szofizmus speciális esete . A továbbiakban ebben a cikkben csak a matematikai szofizmusokról beszélünk , amelyeket a rövidség kedvéért egyszerűen szofizmáknak nevezünk. A szofizmusokat nem szabad összetéveszteni a tudományos paradoxonokkal (például Zénón aporiaival , születésnapi paradoxonnal vagy Banach-Tarski paradoxonnal ), amelyek nem tartalmaznak hibákat, és gyakran jelentős tudományos értékkel bírnak [2] .

A szofizmusok elemzése, a bennük lévő hibák keresése rendkívül értékes a matematika tanítása során [3] , segítik a tanulókat és a hallgatókat a matematikai és logikai törvényszerűségek egyértelmű megértésében, valamint figyelmeztetnek az alkalmazás esetleges tipikus hibáira. ezen törvények [2] [4] .

Történelem

Proklosz Diadokhosz (Kr. u. 5. század) Eukleidész " elveihez" fűzött megjegyzéseiben azt mondta, hogy még Eukleidész is a Kr. e. 3. században. e. matematikai szofizmusok gyűjteményét állította össze, hogy segítse a geometriát tanulókat; a gyűjtemény " Pseudariya " nevet kapta, és a mai napig nem maradt fenn. A szofizmusok célja Proklosz szerint az, hogy megtanítsa a tanulókat az érvelési hibák felismerésére és a jövőbeni elkerülésére [4] .

A jövőben, egészen napjainkig az oktatási irodalom, valamint a szórakoztató matematikai gyűjtemények gyakran tartalmaznak szofizmusokat a „találd meg a hibát” feladattal, amelyek alapján matematikai szabályokat fejtenek ki, és ellenőrzik az olvasók tudását.

A szofizmusok osztályozása

A szofizmusok csoportosítására számos lehetőség kínálkozik - egyes szerzők a matematikai témák típusa szerint csoportosítják őket, mások az érvelés hibáinak típusa szerint, mások pedig mindkét megközelítést valamilyen formában kombinálják.

V. I. Obreimov orosz tanár javasolta a szofizmusok felosztását a hibás eredmény típusa szerint [5] :

  1. Az egyenlőtlenek egyenlősége.
  2. Az egyenlők egyenlőtlensége.
  3. A kevesebb meghaladja a többet.
  4. Geometriai inkonzisztenciák.
  5. A képzeletbeli valóságos (tévedések a komplex számokkal kapcsolatos érvelésben ).
  6. Megoldhatatlan egyenletek.

Ezt az osztályozást azért bírálták, mert az anyag a matematika különböző részeit fogja össze ugyanarra a hibára, ami módszertanilag hibás, ráadásul az osztályozási jellemzők sem elég jelentősek [6] .

A német matematikus , Hermann Schubert négyféle szofizmust vizsgált ("Mathematical Entertainment and Games", 1897) [6] :

  1. Osztás nullával .
  2. A négyzetgyök kétértelműsége .
  3. Hibák a geometriai konstrukciókban.
  4. Helytelen munka a végtelennel.

V. M. Bradis és mások könyve megjegyzi e lista nyilvánvaló hiányosságát, és felajánlja a sajátját [7] :

  1. Helytelen beszéd.
  2. Kiterjesztés kivételes esetekre (például nullával való osztás).
  3. Egy adott faj tulajdonságainak hozzárendelése a teljes nemzetséghez. Például egy egyenlőtlenség mindkét oldala csökkenthető egy közös pozitív tényezővel, de ha a tényező negatív, akkor fontos megfordítani az egyenlőtlenség előjelét.
  4. A konverziós azonnali következtetés elvének helytelen alkalmazása. Például a számok egyenlősége magában foglalja a négyzetek egyenlőségét, de ennek fordítottja nem igaz.
  5. A pontos definíciók helyettesítése geometriai intuícióval.
  6. építési hibák,
  7. Egyes geometriai állítások rövidített (feltételes) megfogalmazásának szó szerinti értelmezéséből adódó hibák.
  8. A feltételes rekordok jelentésének megsértése.
  9. Szakdolgozatkijátszás , azaz az eredetileg megfogalmazotttól eltérő állítás bizonyítása.

Bradis és mások könyvében a szofizmusok anyaga szigorúan téma szerint van bemutatva: aritmetika, algebra, geometria, trigonometria , közelítő számítások . Ez a cikk is betartja az anyag tematikus bontását, amely a legkényelmesebb a tanárok és a diákok számára.

Elemi matematika

Algebra

Osztás nullával

Szophizmus . Legyenek tetszőleges számok. Különbségüket betűvel jelöljük , vagyis ezt az egyenlőséget megszorozzuk Nyissa ki a zárójeleket: Ezután a monomokat a következőképpen csoportosítjuk: vagy:

Azzal redukálva azt kapjuk , hogy minden szám egyenlő.

  • A hiba oka : mivel nincs jogunk csökkenteni vele, mert ez a kifejezés egyenlő nullával, és lehetetlen nullával redukálni (vagyis osztani) [8] .

A nullával való osztás az egyik leggyakoribb algebrai hiba, és ez az osztás például a közös tényező csökkentésével leplezhető. Például az egyenletet redukálva elveszítjük a gyökeret . Egy másik szofizmus az egyenlet:

A redukálással nemcsak az egyenlet egyetlen gyökét veszítjük el, hanem az út során egy olyan plusz gyökérre is szert teszünk , amely nem szerepel az ismeretlen elfogadható értékeinek tartományában, mivel a radikális kifejezés negatívvá válik [9] .

Egyenlőtlenségek

Szophizmus 1 . Legyenek tetszőleges pozitív számok, és ezt az egyenlőtlenséget megszorozva mindkét részéből kivonva a következőt kapjuk: Faktorozás:

-vel csökkentve (feltétel szerint nem egyenlő nullával), az egyenlőtlenséget kapjuk: Vonjuk ki mindkét részből az eredményt : Vagyis bármely pozitív szám egyben negatív is.

  • A hiba oka : az egyenlőtlenség mindkét része csökkenthető egy közös, nem nulla tényezővel, de ha ez a tényező negatív, akkor az egyenlőtlenség előjelét meg kell fordítani. Pontosan ez a helyzet, hiszen a redukció után azt kapjuk: a hiba megszűnt [10] .
A gyökér kibontása

Szophizmus 1 . Helyes egyenlőség: így írható: A négyzetgyök kinyerésével a következőt kapjuk: honnan:

  • A hiba oka : a mennyiségek négyzeteinek egyenlőségéből csak akkor következik maguknak a mennyiségeknek az egyenlősége, ha azonos előjelűek. A gyökér helyes kinyerése abszolút értékű eredményt ad : , és ekkor a hiba nem következik be [11] .

Szophizmus 2 . A középiskolában egy szám emelését nem csak egész számra, hanem tört hatványra is definiálják: Tekintsünk egy szofizmust, amely bizonyítja, hogy .

  • A hiba oka : a törthatványra emelés csak nem negatív számokra van definiálva [12] .

Szophizmus 3 . Óvatosan kell eljárni, amikor a trigonometrikus függvények értékét törthatványra emeljük . Nyilvánvalónak tűnik azonban, hogy ha hibás egyenlőséget kapunk: A fentiekben már kifejtettük, hogy egy szám négyzetének számtani gyöke egyenlő a szám abszolút értékével, így a helyes jelölés a következő [13] :

A probléma helytelen feltételei

Szophizmus 1 . Megoldjuk az egyenletet:

Ellenőrzés: az egyenletben az első gyök behelyettesítése egyenlőséget ad , a második behelyettesítése:

  • Hiba oka : Az eredeti egyenletnek nincs megoldása. Ez abból látszik, hogy a bal oldal szigorúan nagyobb, mint nulla , mivel a gyökér alatt van). Négyzetesítéskor két idegen gyökér jelent meg, de a csekk elutasította őket [14] .

Szophizmus 2 . Oldjuk meg az egyenletet: ahol egy tetszőleges valós szám .

Az egyenlet mindkét oldalát megszorozva, majd hozzáadva az egyenletet a következő alakra alakítjuk: A kockagyök kinyerése után az egyenletet ahonnan kapjuk: azaz minden szám nullával egyenlő.

  • A hiba oka : az ismeretlent valós számként kezeltük , azonban, mint jól látható, az eredeti egyenletnek nincs valós gyöke (kivéve az esetet ), mert diszkriminatív Ha az egyenletet a komplex rendszerben tekintjük számok , akkor a köbgyökök kinyerése előtti összes érvelés helyes, de a komplex kockagyöknek három értéke van, így a kockák egyenlősége nem jelenti maguknak a mennyiségeknek az egyenlőségét [15] .

Geometria

Szophizmus 1 . Vágjuk négy részre a háromszöget az ábra felső részén látható módon, majd ezekből a részekből alakítsunk ki egy új, azonos méretű háromszöget az ábra alsó részén látható módon. Az alkatrészek átrendezésétől a teljes terület egy cellával változik!

  • A hiba oka : a háromszög befogójának tűnő egyenes valójában szaggatott vonal, vagyis a szóban forgó ábra nem háromszög, hanem négyszög . Ez könnyen levezethető abból, hogy a piros háromszögben a lábak aránya 3:8, a kékben pedig 2:5, ami valamivel nagyobb. Ez azt jelenti, hogy a felső ábra szaggatott vonala enyhén homorú, az alsóé enyhén domború, és a területkülönbség csak „extra” cellát ad [16] .

Ennek a szofizmusnak számos lehetősége van, amelyek közül az egyik az ábrán látható: a téglalap részeit egy területtel eltolva egy területtel rendelkező téglalapot kapunk . Az ok hasonló: egy lyuk, amelynek területe egy darab. cellát a második téglalap átlója mentén nyújtjuk.

Szophizmus 2 . Az előjelre fogunk hagyatkozni : két háromszög egyenlő, ha van két egyenlő oldala és az egyik szögük. Az ABC és ABC' háromszögeknek egyenlő a szöge és két oldala (egy közös oldal, ), ezért a háromszögek egyenlőek, ami ellentmond az ábra szerinti konstrukciónak (szögek és nem egyenlők 90°-kal, tehát a C és C' pontok nem egybeesik).

  • A hiba oka : a háromszögek egyenlőségének kritériumának hanyag és ezért hibás megfogalmazása, helyesen: " két háromszög egyenlő, ha két egyenlő oldala van és a köztük lévő szög ." Valójában ez a szofizmus egy hibás előjel meggyőző cáfolatának tekinthető [17] .

3. szofizmus : "minden háromszög egyenlő szárú" (gyakran Lewis Carrollnak tulajdonítják [18] ) [19] . Tekintsünk egy tetszőleges ABC háromszöget (lásd az ábrát). Az A szög felezője és a BC oldal felezőpontjának merőlegese egy O pontban metszi egymást. Hagyjuk az OR (AB oldalra) és OQ (AC oldalra) merőlegeseket az O pontból, és kössük össze az O-t a B és C csúcsokkal. ..

A RAO és QAO derékszögű háromszögek egybevágóak, mert ugyanaz az oldaluk (AO) és szögük (∠RAO = ∠QAO). A ROB és QOC derékszögű háromszögek is egyenlőek, mert két egyenlő oldaluk van: BO = OC és RO = OQ. De akkor AR = AQ, RB = QC, és AB = AR + RB = AQ + QC = AC oldal egyenlő szárú háromszög.

  • A hiba oka : szándékosan torzított rajz. Ha óvatosan csináljuk, akkor az O pont nem a háromszög belsejében, hanem kívül lesz (a háromszög körüli körülírt körön ). Ebben az esetben az egyik R és Q pont a háromszög oldalán van, a másik pedig a másik oldal folytatásában: ha az oldal , akkor R belül van, Q kívül, ellenkező esetben fordítva. Az első esetben  - mínusz plusz helyett; a második esetet hasonlóan elemzik [20] .

Trigonometria

Szophizmus . Tekintsük a jól ismert trigonometrikus azonosságot : Bármely háromszögben a szögek összege tehát egyrészt azonosság szerint egyenlő, másrészt ennek következtében a szögek is egyenlőek: Levonva ezt az egyenlőséget az azonosságból: kapjuk: vagy Következtetés: bármely háromszög derékszögű .

  • A hiba oka : az egyenlőség valóban létrejön bármely háromszögre, de a szögek egyenlősége nem következik belőle - ezt mutatja a képlet is . Bármely két szög, amely a szinuszhoz kiegészíti egymást, azonos [21] .

Bizonyítás indukcióval

Szophizmus . Bizonyítsuk be, hogy minden ló azonos színű. A bizonyíték a lovak számának indukciója. Amikor az állítás triviális. Legyen minden csorda ló azonos színű; bizonyítson egy lócsorda számára . Távolítsunk el egy lovat; az indukciós hipotézis szerint az összes többinek ugyanaz a színe. Visszavisszük a lovat a csordába, és veszünk egy másik lovat. Aztán kiderül, hogy a korábban leválasztott ló ugyanolyan színű.

  • A hiba oka : a bizonyítás második része nem működik az átlépéskor (a ló elválasztásával végzett trükk ekkor semmit sem bizonyít) [22] .

Ennek a szellemes szofizmusnak van egy érdekes változata: bizonyítja azt az állítást, hogy minden egész szám egyenlő. Bizonyítsuk be indukcióval a természetes számok szakaszának hosszát . Amikor csak egy szám van a szegmensben, és az állítás igaz. Legyen igaz az állítás az első számokra, bizonyítsuk be Vegyünk két tetszőleges számot Az induktív feltételezéssel, de akkor A hiba itt is hasonló az előzőhöz: 2 hosszúságú szegmens esetén az érték túlmutat az induktív feltevésen, a bizonyítás logikáját rombolja [23] .

Felsőfokú matematika

Komplex számok

Szophizmus 1 . A képzeletbeli egységet így határozzuk meg , de kiderül, hogy

Szophizmus 2 . Emeljük fel az ismert identitást a hatványra , a bal oldalon a jobb oldalon fog kiderülni , nyilván 1. Eredmény: ami, mint könnyen ellenőrizhető, rossz.

  • Hiba oka : összetett hatványra emelés többértékű eredményt ad, ezért a szabály itt nem érvényes, az általános definíciót kell használni (lásd Komplex hatvány ); A komplex fokszám meghatározására szolgáló képletek gondos alkalmazása a bal és a jobb oldalon ad, innen látható, hogy a hiba gyökere a kifejezés értékeinek összekeveredése és

A funkciók korlátai

Szophizmus 1 . Határozzuk meg a kifejezés határát, amikor Ha először törekszünk, akkor a határérték (értéktől függetlenül ), ha pedig onnan indulunk ki, akkor a határérték: Kiderül, hogy bármely szám egyenlő az inverzével.

  • A hiba oka : valójában a hiba csak a végső kimenetben van. A parciális határértékek sorrendjének permutációja általában megváltoztathatja az eredményt [25] .

Műveletek végtelen sorokkal

Szophizmus 1 . Tekintsünk egy végtelen sorozatot a természetes logaritmushoz , amelyet a Mercator sorozatból kapunk

Csoportosítsuk az azonos előjelű kifejezéseket:

Az első két zárójelet kombinálva, és a harmadik zárójelbe 2-es tényezőt adunk, két azonos érték különbségét kapjuk, azaz nullát, bár ez nem egyenlő nullával:

  • A hiba oka : a sorozattagok minden átrendezése nem megengedett, csak abszolút konvergens sorozatokra érvényes . Különösen helytelen egy konvergens kezdeti sorozat két divergens sorozat különbségeként való ábrázolása. A sorozatot „ harmonikusnak ” nevezik , és eltér, bár csak a kifejezések előjeleiben tér el az eredetitől [26] .

Integráció

Határozatlan integrál

Szophizmus . Két identitást integrálunk:

Eredmények:

Az első egyenletből a másodikat kivonva a következőt kapjuk:

míg a jobbnak 1-nek kell lennie.

Határozott integrál

Szophizmus 1 . Keressük meg egy pozitív függvény integrálját a Newton-Leibniz képlet segítségével :

Egy pozitív függvény integrálja negatívnak bizonyult ("D'Alembert paradoxona", 1768) [28] .

  • A hiba oka : az integrandus nem folytonos (és nem korlátozott) nullánál, ezért a Newton-Leibniz képlet nem alkalmazható rá.

Szophizmus 2 . Keressük meg egy pozitív függvény integrálját a változó módszerrel :

Vezessünk be egy új változót ; az integráció szegmense a következő szegmensébe kerül :

Helyes válasz:
  • A hiba oka : változó cseréjekor a régi és az új változóknak egy az egyhez megfelelésben kell lenniük , ellenkező esetben az inverz függvény nincs definiálva [29] ; a szofizmusban ezt a szabályt megsértik.

Egyéb szofisztika

Néhány további példa szofizmusokra és paradox következtetésekre, amelyek élénk vitát váltottak ki a tudományos közösségben:

Jegyzetek

  1. Szophizmus // Szovjet enciklopédikus szótár. - 2. kiadás - M . : Szovjet Enciklopédia, 1982. - S. 1241. - 1600 p.
  2. 1 2 3 Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 3-4.
  3. Szergejeva L. V. A matematikai szofizmusok használata a matematika órákon . Letöltve: 2020. március 7.
  4. 1 2 Bradis et al., 1959 , p. 7-11.
  5. Obreimov, 1889 .
  6. 1 2 Bradis et al., 1959 , p. 11-14.
  7. Bradis et al., 1959 .
  8. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 9.
  9. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 65-66.
  10. Bradis et al., 1959 , p. 89-90.
  11. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 6.
  12. Mordkovich A. G. Algebra és az elemzés kezdete. Tankönyv 10-11. osztályosoknak 1. rész - szerk. 4. - M .: Mnemozina, 2003. - S. 253-255. — 376 p.
  13. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 16.
  14. Bradis et al., 1959 , p. 58.
  15. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 7-8, 66-67.
  16. Curry-háromszög paradoxona . Letöltve: 2019. augusztus 31. Az eredetiből archiválva : 2019. augusztus 31.
  17. A háromszög két oldalra és a közöttük lévő szögtől eltérő szerkesztési problémájának elemzéséhez lásd a Háromszögek megoldása című cikket vagy a kézikönyvet: Vygodsky M. Ya. Handbook of elementary mathematics. - M . : Nauka, 1978. - S. 294.
  18. Valójában a szofizmus először a Ball WWR Mathematical Recreations and Essays (1892) könyvben jelent meg, ahonnan Carroll vette át.
  19. Robin Wilson (2008), Lewis Carroll in Numberland , Penguin Books, p. 169–170, ISBN 978-0-14-101610-8 
  20. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 21-23., 81-82.
  21. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 45-46, 66-67.
  22. Poya, D. Matematika és hihető érvelés. - Szerk. 2., javítva. - M . : Nauka, 1975. - S. 140.
  23. Fedin S. N. A matematikusok is viccelnek . - 4. kiadás — M .: URSS , 2012. — S. 274. — 216 ​​p. - ISBN 978-5-397-02435-8 .
  24. Bradis et al., 1959 , p. 81-82.
  25. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 17, 76.
  26. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 15, 73-75.
  27. Madera A. G., Madera D. A., 2003 , p. 39, 94.
  28. Markov S. N. Matematikatörténet Tanfolyam: Tankönyv . - Irkutszk: Irkutszki Egyetemi Kiadó, 1995. -  167. o . — 248 p. — ISBN 5-7430-0496-X .
  29. Schneider V. E. et al. Egy rövid kurzus a felsőbb matematikából. Proc. felsőoktatási intézmények támogatása . - M . : Felsőiskola, 1972. - 640 p.

Irodalom

Linkek

  • Klasszikus  tévedések . Letöltve: 2020. március 28.