必修第一册 · 第 1 章 集合与常用逻辑用语
“所有的都……”和“有一个……”怎么判断真假?它们的否定又该怎么写?
全班 \(40\) 人。班长对老师说:“我们班所有同学都交了作业。”老师不太信。点下面按钮或作业本帮老师抽查:
老师要说明班长这句话不对,最少需要查到什么?
A。只要有一个人没交,“所有人都交了”就不成立。
所以“所有人都交了”的反面,不是“所有人都没交”,而是“有人没交”。“所有”变成了“有”,“交了”变成了“没交”。
这一节就讲这两类说法:“所有的都……”和“有一个……”。怎么判断它们的真假,怎么写出它们的反面(否定)。
要用到:集合和“属于”\(x\in M\)(回看 1.1);命题和真假(回看 1.4)。先看下面这幅微图解:
直觉微图解 ①全称 vs 存在量词的判真判假机制
判决机制∀(一票否决)vs ∃(一票赞成)
\(\forall\)(All 倒写):要证明它真必须铁证如山对每一个都成立;推翻它只要揪出 1 个反例!\(\exists\)(Exist 反写):要证明它真只需随手举出 1 个正例;推翻它才需要排除每一种可能!
否定步骤改换量词、保留范围、否定结论。
讨论范围 \(x\in M\) 保持不变;只改换量词(\(\forall\leftrightarrow\exists\)),再把结论取反(\(>\) 变 \(\le\),\(=\) 变 \(\ne\))。原命题与否定必一真一假。
八位同学可以逐个核对;面对全体实数,要用平方非负、配方等一般理由说明每个对象都满足,不能只试有限几个数。一真一假是核对否定的必要条件,并不足以证明写法正确:例如两个不同的真命题,都与同一个假命题一真一假,仍须按量词、范围和结论逐项否定。
全称否定:所有都满足的反面,是存在至少一个不满足。
\(\neg(\forall x\in M,\ p(x))\) \(\iff \exists x\in M,\ \neg p(x)\)
存在否定:存在一个满足的反面,是全都不满足。
\(\neg(\exists x\in M,\ p(x))\) \(\iff \forall x\in M,\ \neg p(x)\)
| 命题类型 | 说它真(证明成立) | 说它假(推翻命题) |
|---|---|---|
| 全称命题 \(\forall x\in M,\ p(x)\) | 必须说明每一个都满足(严格证明) | 举出一个反例即可一票否决! |
| 存在命题 \(\exists x\in M,\ p(x)\) | 举出一个正例即可一票赞成! | 必须说明每一个都不满足(全面排除) |
例 1(看一遍怎么判断真假)
(1) \(\forall x\in\mathbf{R},\ x^2-2x+1\ge 0\):\((x-1)^2\ge 0\) 恒成立,每个 \(x\) 都满足,真。
(2) \(\forall x\in\mathbf{R},\ x^2>x\):取 \(x=1\) 时 \(1>1\) 不成立,抓到 1 个反例,假。
(3) \(\exists x\in\mathbf{R},\ x^2=2\):\(x=\sqrt2\) 就能满足,抓到 1 个正例,真。
(4) \(\exists x\in\mathbf{Z},\ 2x+1=4\):解得 \(x=1.5\notin\mathbf{Z}\),没有一个整数满足,假。
自己试试:命题“\(\forall x\in\mathbf{R},\ |x|>0\)”是真是假?
B。\(x=0\) 是反例。选 A 的同学只举了几个例子,全称命题要管到每一个;选 C 的同学把“不是负数”(\(\ge 0\))当成了“\(>0\)”,漏了 \(0\)。
藏起来的量词:“若 \(a>b\),则 \(a^2>b^2\)”对任意 \(a,b\) 都要成立才算真,所以举一个反例(\(a=1\),\(b=-2\))就能说明它是假的。
例 2(示范:跟老师走一遍思考过程)
设命题 \(p: \forall x\in\mathbf{R},\ x^2+2x+2>0\)。写出 \(\neg p\) 并判断两者的真假。
自己试试:命题 \(p\):“\(\exists x\in\mathbf{R},\ x^2<x\)”。下面判断正确的是?
是 B。“平方会变大”只对一部分数成立。取 \(x=\tfrac12\):\(\tfrac14<\tfrac12\),一个例子就说明 \(p\) 真。
\(\neg p\) 是“\(\forall x\in\mathbf{R},\ x^2\ge x\)”,同一个 \(x=\tfrac12\) 就是它的反例,所以 \(\neg p\) 假。选 A 的同学只试了 \(x=2,3\) 这类数;C、D 一眼就能排除:否定和原命题永远一真一假。
常见说法的反面:“都是”→“不都是”(有的不是);“至少有一个”→“一个也没有”;“至多有一个”→“至少有两个”。
把“\(\forall x\ \exists n,\ p(x,n)\)”整体否定时,两层量词分别怎样变?变量的取值范围需要改变吗?
两个量词:本节只要求一个量词。遇到“\(\forall x,\ \exists n\)……”这种两个量词连在一起的,从左往右每个量词都换一次,最后结论取反:\(\neg(\forall x\ \exists n,\ p)\) 是 \(\exists x\ \forall n,\ \neg p\)。
自己搭一个命题:选量词、函数和符号,拖区间端点 \(a,b\) 和横线 \(c\)。下面会一步步写出它的否定,并且算出两边谁真谁假。
图上绿色是区间里满足结论的部分,红色是不满足的。圆点是程序找到的例子或反例。
试试:①“∀ x², ≥”把 \(c\) 从 0 往上拖一点,看原命题什么时候变假;② 换成“∃ x² − 2x, =”,把 \(c\) 拖到 \(-1\) 下面;③ 无论怎么拖,看下面那行“恰好一个为真”会不会被打破。
从易到难排好了。前两道直接用,中间三道是最常见的错,最后一道是挑战。
1. 下面哪个是真命题?
A。\(x^2-4x+5=(x-2)^2+1\ge 1\),每个 \(x\) 都满足。B:\(x^2+1\ge1\),没有一个 \(x\) 让它等于 \(0\);C:绝对值不会是负数;D:\(x=-1\) 是反例。B、C 是存在命题,说它假要排除每一个,不能只试一两个数就下结论。
2. 命题“有的实数的绝对值是正数”的否定是?
A。“有的”换成“所有”,“是正数”变成“不是正数”。B 只改了结论,C 只改了量词。检验:原命题真(\(|1|=1\)),A 假(同一个 \(x=1\) 是反例),一真一假。
3. 命题“对任意实数 \(x\),都有 \(x^2>0\)”的否定是?
是 B。A 还留着“任意”:原命题假(\(x=0\)),A 也假(\(x=1\)),两个都假,不是否定。C 没把结论取反。D 把“\(>\)”的反面写成了“\(<\)”,漏了 \(x^2=0\):原命题假,D 也假。
B 是真的(\(x=0\)),和原命题正好一真一假。
4. 命题“\(\exists x\in\R,\ x+1\le 0\)”的否定是?
是 C。A 只换了量词,忘了否定结论;B 只否定了结论,忘了换量词。两处都要改。
D 也错:\(\le\) 的反面是 \(>\),不是 \(\ge\)。比如 \(x=-1\) 时 \(x+1=0\),既满足 \(\le 0\) 又满足 \(\ge 0\),两边就“撞车”了。
检验一下:原命题真(\(x=-1\)),C 假(同一个 \(x=-1\) 就是反例),一真一假。
5. 命题“\(\forall x>1,\ x^2>1\)”的否定是?
是 B。“\(x>1\)”是讨论范围,不是结论。否定时还在 \(x>1\) 里找,范围照抄。
A 把范围也否定了。看看真假就知道不对:原命题是真的(大于 1 的数平方也大于 1),而 A 也是真的(取 \(x=0\))。两个都真,A 不可能是否定。B 是假的,正好一真一假。
6. 命题“\(\exists x\in\R,\ x^2+2x+a=0\)”是假命题,实数 \(a\) 的取值范围是?
A。存在命题是假的,等于它的否定“\(\forall x\in\R,\ x^2+2x+a\ne 0\)”是真的:每一个 \(x\) 都不让它等于 \(0\)。
配方:\(x^2+2x+a=(x+1)^2+a-1\),最小是 \(a-1\)(在 \(x=-1\) 处),往上什么值都能取到。要它永远不等于 \(0\),只能 \(a-1>0\),即 \(a>1\)。
选 B 的同学多算了 \(a=1\):这时 \(x=-1\) 让式子等于 \(0\),原命题是真的。
真题 3 道、原创 1 道;共 4 道,含 1 道解答题;先做本节精选,也可查看全部题目。先自己做,提交后看答案和分步解析。
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学这一节之前,需要用到下面的初中数学基础;如果觉得生疏可以先点开回顾:
学有余力可以接着挑战。下面的竞赛专题以这一节为先修,题目来自全国高中数学联赛、各省预赛和强基、自主招生真题。