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2019年8月19日 星期一

充分條件與必要條件,不等式的解集合,1990中國高考數學全國卷

==主旨==

這份習題的目標是藉由圖解不等式來認識「充分條件」與「必要條件」的定義。

==導引==

定義 考慮兩敘述A, B,若可由敘述A推導出敘述B,也就是$A \Rightarrow B$,則
(i) 稱敘述A為敘述B的充分條件(sufficient condition)。
(ii) 稱敘述B為敘述A的必要條件(necessary condition)。

例子 敘述A:「碧曲是正妹。」;敘述B:「碧曲是人類。」

如果敘述A正確,也就是我們已經知道碧曲確實是正妹,那麼碧曲一定是人類,亦即敘述B是正確的。因此我們可以從敘述A推導出敘述B。

套用以上對於「充分條件」與「必要條件」的定義,我們會說:
(i) 「碧曲是人類」為「碧曲是正妹」的必要條件;
(ii) 「碧曲是正妹」為「碧曲是人類」的充分條件;

注意 但是如果把兩個敘述的位置對調反過來,那麼推理的鍊條未必串的起來。這就是說,就算敘述B是正確的,我們知道「碧曲是人類」,可是我們卻無法由此推論出「碧曲是正妹」,不能確定敘述A正確與否。

定義 考慮兩敘述A, B,若可由敘述A推導出敘述B,同時也可由敘述B推導出敘述A,亦即有$A \Leftrightarrow B$,那麼兩條件互稱為彼此的充要條件(sufficient and necessary condition)。

復向東,見一商港,然商販皆金髮碧眼,料是海外來朝之英吉利商販集散所在,舶來異寶眾多,正目眩神迷間,琴聲價響,佇聽之,或如山壑雅秀,或如水潭靜謐,時悠遠輕揚,復而厚實凝重,令人神馳,急尋琴聲來處,見一英吉利女子正自奏藝販琴,當下文思泉湧,兼有結識之意,於是突出人群,吟詩唱和:「商娥扶碧曲,秀謐悠而厚...」詩未竟,曲驟斷,但見英女神色驚訝,連聲曰諾,正暗喜間,卻見數名英商巡官怒目而來倒拖吾身,飽以老拳。嗟乎,奈何蠻夷終究不識詩詞曲賦之美...。

==題目,第1組,中國1990高考數學全國卷文史類組==


  1. 圖解不等式:$0 < x < 5$。
  2. 解不等式:$| x - 2| < 3$,並圖解之。
  3. 若將第1題的圖形稱為甲,將第2題的圖形稱為乙,請問甲乙兩者的包含關係為何?是甲包含乙,還是乙包含甲,還是沒有包含關係?
    請注意這裡所謂的「包含在...之中」是指完全包含。若只有一部份重疊就不算包含了。
  4. 如果某點在圖形甲之中,那麼該點一定會在圖形乙之中嗎?如果不會,那麼是哪些點不聽話呢?
  5. 如果某點在圖形乙之中,那麼該點一定會在圖形甲之中嗎?如果不會,那麼是哪些點不聽話呢?
  6. [原題] 設命題甲為:$0 < x < 5$;命題乙為:$| x - 2| < 3$。那麼
    (A) 甲是乙的充分條件,但不是乙的必要條件。
    (B) 甲是乙的必要條件,但不是乙的充分條件。
    (C) 甲是乙的充要條件。
    (D) 甲不是乙的充分條件,也不是乙的必要條件。


==題目,第2組,中國1990高考數學全國卷理工農醫類組==


  1. 取定正數h,在座標平面上畫出不等式$| x - y| < 2h$的解區域。
  2. 同樣的正數h,在座標平面上畫出聯立不等式$\left\{ \begin{array}{l} | x - 1| < h \\ | y - 1| < h \end{array} \right.$的解區域。(請注意聯立不等式意味著兩條式子的條件要同時滿足!)
  3. 若將第1題的圖形稱為甲,將第2題的圖形稱為乙,請問甲乙兩者的包含關係為何?是甲包含乙,還是乙包含甲,還是沒有包含關係?
    請注意這裡所謂的「包含在...之中」是指完全包含。若只有一部份重疊就不算包含了。
  4. 如果某點在圖形甲之中,那麼該點一定會在圖形乙之中嗎?如果不會,那麼是哪些點不聽話呢?
  5. 如果某點在圖形乙之中,那麼該點一定會在圖形甲之中嗎?如果不會,那麼是哪些點不聽話呢?
  6. [原題] 已知$h > 0$。設命題甲為:兩個實數x, y滿足$| x - y| < 2h$;命題乙為:兩個實數x, y滿足$| x - 1| < h$且$| y - 1| < h$。那麼
    (A) 甲是乙的充分條件,但不是乙的必要條件。
    (B) 甲是乙的必要條件,但不是乙的充分條件。
    (C) 甲是乙的充要條件。
    (D) 甲不是乙的充分條件,也不是乙的必要條件。


2018年3月28日 星期三

二元一次不等式,法向量所指區域為正區域,法向量反向之區域為負區域;二元一次式之函數值循法向量方向移動而增加

謹以此文紀念我的高中數學老師黃靜卿先生。

==定理1==(用法向量判斷正區域和負區域)


考慮二元一次式$f(x, y) = ax + by + c$,其中$a, b$不同時為零。在座標平面上,

(i) $ax + by + c = 0$的幾何圖形為一直線;
(ii) $ax + by + c > 0$代表之區域正是以直線$ax + by + c = 0$為邊界,而落於法向量$\overrightarrow{n} = (a, b)$所指方向的區域;
(iii) $ax + by + c < 0$代表之區域正是以直線$ax + by + c = 0$為邊界,而落於法向量$\overrightarrow{n} = (a, b)$所指方向反側的區域。

==證明==


(i) 顯然。

(ii) 命直線集合為$L = \{ (x, y) | ax+by+c=0 \}$,而正區域為$L_+ = \{ (x, y) | ax+by+c>0 \}$,負區域為$L_- = \{ (x, y) | ax+by+c<0 \}$。

顯然$\mathbb{R}^2 = L \cup L_+ \cup L_-$,且$L, L_+, L_-$互不相交,亦即$L \cap L_+ = \phi, L \cap L_- = \phi, L_+ \cap L_- = \phi$。

「以直線$ax + by + c = 0$為邊界,而落於法向量$\overrightarrow{n} = (a, b)$所指方向的區域」可描述為$L$上的點經任意正倍數的法向量$\overrightarrow{n}$平移後所得到的點集。若記此區域為$D_+$,以數學式表達就是
$$D_+ = \{ (x, y) + t \overrightarrow{n} | (x, y) \in L, t > 0 \}.$$
我們要證明的即是
$$L_+ = D_+.$$

任取$P \in D_+$,則$\exists (x, y) \in L, t > 0$使得$P = (x, y) + t \overrightarrow{n}$。於是
\begin{align}
f(P) &= f(x+ta, y+tb) \notag \\
&= a(x+ta) + b(y+tb) + c \notag \\
&= (ax+by+c) + t(a^2+b^2). \notag
\end{align}
由於$t>0$且$a, b$不同時為零,所以$t(a^2+b^2) > 0$,也就是$f(P) > 0$。因此得$P \in L_+$,從而$D_+ \subseteq L_+$。

任取$Q = (x, y) \in L_+$,我們想證明$Q$也落在$D_+$之中,如此就可得$L_+ \subseteq D_+$。而要完成此目標,我們必須找到$(x_0, y_0) \in L$以及正數$t$使得$Q = (x_0, y_0) + t \overrightarrow{n}$。

設$f(Q) = d$,即有$ax+by+c=d$。由於$Q \in L_+$,所以當然$d > 0$。對照證明$D_+ \subseteq L_+$的過程「$f(P) = \ldots = (ax+by+c) + t(a^2 +b^2)$」,我們合理猜測現在應該取$t = \frac{d}{a^2 +b^2}$,同時$(x_0, y_0)$應為$\left( x - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot a, y - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot b \right)$。以下驗證這樣的猜測是正確的。
\begin{align}
f \left( x - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot a, y - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot b \right)
&= a \left( x - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot a \right) + b \left(y - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot b \right) \notag \\
&= (ax+by+c) - \frac{d}{a^2 + b^2}(a^2 + b^2) \notag \\
&= d - d \notag \\
&= 0. \notag
\end{align}
所以若取$(x_0, y_0) = \left( x - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot a, y - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot b \right)$,則$(x_0, y_0)$確實$\in L$。而
\begin{align}
Q &= (x, y) \notag \\
&= \left( x - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot a + \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot a , y - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot b + \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot b\right) \notag \\
&= \left( x - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot a, y - \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot b \right) + \left( \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot a, \frac{d}{a^2 +b^2}\cdot b \right) \notag \\
&= (x_0, y_0) + \frac{d}{a^2 +b^2} (a, b) \notag \\
&= (x_0, y_0) + t \overrightarrow{n}. \notag
\end{align}
如此就證明了$Q \in D_+$,也就有$L_+ \subseteq D_+$。

綜合上述$D_+ \subseteq L_+$與$L_+ \subseteq D_+$,我們得到$L_+ = D_+$。

(iii) 「以直線$ax + by + c = 0$為邊界,而落於法向量$\overrightarrow{n} = (a, b)$所指方向反側的區域」可描述為$L$上的點經任意負倍數的法向量$\overrightarrow{n}$平移後所得到的點集。若記此區域為$D_-$,以數學式表達就是
$$D_- = \{ (x, y) + t \overrightarrow{n} | (x, y) \in L, t < 0 \}.$$

顯然有$\mathbb{R}^2 = L \cup D_+ \cup D_-$,且$L \cap D_+ = \phi, L \cap D_- = \phi, D_+ \cap D_- = \phi$。

由於已知$\mathbb{R}^2 = L \cup L_+ \cup L_-$,與上式相比較,可得
\begin{align}
D_- &= \mathbb{R}^2 \backslash \left( L \cup D_+ \right) \notag \\
&= \mathbb{R}^2 \backslash \left( L \cup L_+ \right) \notag \\
&= \left( L \cup L_+ \cup L_- \right) \backslash \left( L \cup L_+ \right) \notag \\
&= L_-. \notag
\end{align}
(證明終了)

==定理2==(線性規劃中目標函數在限定區域發生極值位置的探索方法)


二元一次式之函數值循法向量方向移動而增加。

==證明==


設$P_0 = (x_0, y_0) \in L, P_t = P_0 + t \overrightarrow{n}$。當$t > 0$時,$P_t \in L_+$;而當$t < 0$時,$P_t \in L_-$。

取正數$t, s$滿足$t < s$,於是乎$P_t$與$P_s$皆落在$L_+$之中,而自$P_t$移動到$P_s$必須沿$(s - t) \overrightarrow{n}$。注意這裡$s - t > 0$,是以自$P_t$移動到$P_s$是循著法向量$\overrightarrow{n}$之正方向前進。

我們要證明的是$f(P_s) > f(P_t)$。

進行以下計算,
\begin{align}
f(P_s) - f(P_t)
&= f(P_0 + s \overrightarrow{n}) - f(P_0 + t \overrightarrow{n}) \notag \\
&= s(a^2 + b^2) - t(a^2 +b^2) \notag \\
&= (s - t)(a^2 + b^2) \notag \\
&> 0. \notag
\end{align}
從而$f(P_s) > f(P_t)$。
(證明終了)

==討論==


我們的討論可以毫無困難地推廣到$n$維空間。這裡我們所得到的結果,其實只是多元微積分學中關於空間曲面梯度向量以及方向導數的定理的特例。

定理. 設$D$為$\mathbb{R}^n$中的開集。若函數$f : D \rightarrow \mathbb{R}$在$D$上可微,則對於任意單位向量${\bf \overrightarrow{u}} \in \mathbb{R}^n$以及${\bf x} \in D$,函數$f$在${\bf x}$循${\bf \overrightarrow{u}}$的方向導數為
$$D_{{\bf \overrightarrow{u}}} f({\bf x}) = \nabla f({\bf x}) \cdot {\bf \overrightarrow{u}}.$$
而方向導數最大值為$|\nabla f({\bf x})|$,發生於${\bf \overrightarrow{u}}$與$\nabla f({\bf x})$平行同向之際。

在高中數學傳統教學中,正、負區域的判定是採用「約定x項的係數為正...P點在L的右邊,則f(P)>0;若P在L的左邊,則f(P)<0」(參見部落格【王的夢田】文章〈平面被一直線分成兩部份的正負情形〉),學生常常會搞不清楚正區域和負區域的位置。因為這個約定太麻煩了,還得先化簡所給定的直線方程式,然後要去記所謂的左邊或是右邊。試想,在三維或是更高維空間中,如果要處理線性規劃區域問題,我們還會有什麼左、右之分嗎?我們唯一可以依循的只有法向量,按其指向去區分各區域,法向量才是處理判定正、負區域的根本工具。