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तर्क और उपपत्ति: गणितज्ञ कैसे दिखाते हैं कि कोई बात हमेशा सत्य है

उपपत्ति (proof) सही कारणों की ऐसी कड़ी है जो दिखाती है कि कथन हर स्थिति में सत्य है। कथन सत्य या असत्य होता है; 'यदि P तो Q' (P ⇒ Q) का अर्थ है P होने पर Q ज़रूर होगा, पर उसका विलोम Q ⇒ P ग़लत भी हो सकता है। P ⇔ Q का अर्थ दोनों दिशाएँ सही। मुख्य विधियाँ: प्रत्यक्ष उपपत्ति (ज्ञात तथ्यों से क़दम-दर-क़दम, जैसे विषम संख्या 2n + 1); सभी स्थितियाँ जाँचकर उपपत्ति; प्रति-उदाहरण से खंडन (एक असफल स्थिति दावे को गिरा देती है); विरोधाभास से उपपत्ति (उल्टा मानकर असंभव तक पहुँचना)। ज्यामितीय उपपत्ति में हर पंक्ति का कारण लिखा जाता है (समांतर रेखाएँ, सर्वांगसम और समरूप त्रिभुज)। विश्लेषणात्मक उपपत्ति निर्देशांक लेती है; संश्लेषणात्मक उपपत्ति शुद्ध ज्यामिति।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. कथन सत्य या असत्य होता है। 'यदि P, तो Q' का अर्थ है P से Q हमेशा निकलता है। उलटने पर ज़रूरी नहीं।
  2. प्रत्यक्ष उपपत्ति: विषम संख्या को 2a + 1 लिखकर बीजगणित लगाइए। दो विषम का योग हमेशा सम आता है।
  3. सभी स्थितियाँ जाँचकर उपपत्ति: हर संभव स्थिति बनाइए और हर एक जाँचिए।
  4. दावे को ग़लत दिखाने के लिए एक प्रति-उदाहरण काफ़ी है।
  5. विरोधाभास से उपपत्ति: उल्टा मान लीजिए, ध्यान से तर्क कीजिए, और असंभव बात तक पहुँचिए।
  6. अब आपकी बारी: त्रिभुज का कोना खिसकाइए। समांतर रेखा सिद्ध करती है कि कोण हमेशा 180° जुड़ते हैं।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

P ⇒ Q सत्य हो तो क्या Q ⇒ P भी सत्य है?

हमेशा नहीं। 'n > 2 ⇒ n > 1' सत्य है, पर n = 1.5 पर विलोम टूटता है। दोनों सत्य हों तभी P ⇔ Q लिखते हैं।

संख्याओं की जगह 2a + 1 जैसे अक्षर क्यों?

अक्षर हर संभव पूर्ण संख्या की जगह खड़ा है, इसलिए एक बीजगणितीय पंक्ति सबके लिए सिद्ध कर देती है। 3D में हर नीली जोड़ी जुड़ी रहती है और दोनों नारंगी बचे बिंदु आपस में जोड़ी बना लेते हैं।

कैसे पता चले कि मेरी स्थितियाँ सब कुछ ढकती हैं?

ऐसा बँटवारा लीजिए जिसमें कोई संख्या छूट न सके: सम/विषम, या 3 से भाग पर शेष 0, 1, 2। हर हरा निशान एक स्थिति है।

एक प्रति-उदाहरण काफ़ी क्यों, जबकि बहुत से उदाहरण नहीं?

'सभी' का अर्थ है कोई अपवाद नहीं। एक अपवाद 'सभी' को तोड़ देता है। उदाहरण अनंत संख्याएँ कभी नहीं जाँच सकते।

जिसे ग़लत समझते हैं उसे मानना अजीब नहीं?

यह एक परीक्षा है: अगर मान्यता सही क़दमों से असंभव बात तक ले जाए, तो मान्यता सच नहीं हो सकती। आख़िरी लाल डिब्बा वही असंभव परिणाम है।

क्या 180° का नियम बहुत पतले या चौड़े त्रिभुज पर भी चलता है?

हाँ। कोना जितना चाहें खिसकाइए: समांतर रेखा वाला तर्क आकार पर निर्भर नहीं।

कथन, सप्रतिबंध कथन और विलोम

कथन वह वाक्य है जो या तो सत्य हो या असत्य, जैसे '7 अभाज्य है'।

उपपत्ति परिभाषाओं, अभिगृहीतों (स्वीकार किए तथ्य) और पहले सिद्ध प्रमेयों को सही तर्क से जोड़ती है।

प्रत्यक्ष उपपत्ति (निगमन)

दिए गए तथ्यों से शुरू करके क़दम-दर-क़दम परिणाम तक पहुँचिए। बीजगणित से हम हर संख्या की बात एक साथ कर सकते हैं:

उदाहरण: सिद्ध कीजिए कि दो विषम संख्याओं का योग सम है। मान लें वे 2a + 1 और 2b + 1 हैं। योग = 2a + 2b + 2 = 2(a + b + 1), जो 2 × पूर्ण संख्या है, इसलिए सम। ∎

उपपत्ति एक साफ़ वाक्य या चिह्न ∎ से ख़त्म कीजिए।

सभी स्थितियाँ जाँचना और प्रति-उदाहरण से खंडन

सभी स्थितियाँ (exhaustion): समस्या को कुछ ऐसी स्थितियों में बाँटिए जो हर संभावना ढक लें, फिर हर स्थिति सिद्ध कीजिए। उदाहरण: हर पूर्ण संख्या 3k, 3k + 1 या 3k + 2 है। वर्ग करने पर 9k², 9k² + 6k + 1 और 9k² + 12k + 4 = 3(3k² + 4k + 1) + 1। यानी वर्ग संख्या को 3 से भाग देने पर शेष 0 या 1, कभी 2 नहीं।

प्रति-उदाहरण: दावा ग़लत दिखाने को एक ऐसी स्थिति ढूँढिए जहाँ वह टूटे। 'n² + n + 41 हमेशा अभाज्य है' n = 0 से 39 तक चलता है पर n = 40 पर टूटता है (40² + 40 + 41 = 41²)। बहुत से उदाहरण सामान्य दावा सिद्ध नहीं करते; एक प्रति-उदाहरण हमेशा खंडन कर देता है।

विरोधाभास से उपपत्ति

मान लीजिए कथन असत्य है। सही तर्क करते-करते किसी असंभव बात (विरोधाभास) पर पहुँचिए। इसका अर्थ है मान्यता ग़लत थी, यानी कथन सत्य है।

√2 अपरिमेय है। मान लें √2 = p/q, जहाँ p, q पूर्ण संख्याएँ हैं जिनका कोई उभयनिष्ठ गुणनखंड नहीं। तब p² = 2q², तो p² सम, तो p सम: p = 2k। तब 4k² = 2q², तो q² = 2k², तो q भी सम। दोनों सम यानी 2 उभयनिष्ठ गुणनखंड: विरोधाभास। ∎

अभाज्य संख्याएँ अनंत हैं। मान लें अभाज्य सिर्फ़ p₁, p₂, …, pₙ हैं। N = p₁p₂…pₙ + 1 लीजिए। N को किसी भी सूची वाले अभाज्य से भाग देने पर शेष 1 बचता है, इसलिए N ख़ुद अभाज्य है या उसका कोई अभाज्य गुणनखंड सूची से बाहर है। दोनों हालत में सूची अधूरी थी: विरोधाभास। ∎

ज्यामितीय प्रमेयों की उपपत्ति

ज्यामितीय उपपत्ति क्रमांकित कथनों में लिखिए, हर एक के साथ कारण (दिया है, परिभाषा या ज्ञात प्रमेय)। आम कारण: शीर्षाभिमुख कोण बराबर; समांतर रेखाओं में एकांतर कोण और संगत कोण बराबर; सीधी रेखा पर कोणों का योग 180°; सर्वांगसमता SSS, SAS, ASA, RHS; समरूपता AA, SAS, SSS।

त्रिभुज के कोणों का योग। ऊपर के शीर्ष से आधार के समांतर रेखा खींचिए। ऊपर वाले कोण के दोनों ओर के कोण आधार के दोनों कोणों के बराबर हैं (एकांतर कोण)। अब तीनों कोण एक सीधी रेखा पर हैं, इसलिए योग 180°। ∎

संश्लेषणात्मक (synthetic) उपपत्ति ऐसी शुद्ध ज्यामिति है। विश्लेषणात्मक (analytic) उपपत्ति आकृति को निर्देशांकों पर रखकर बीजगणित लगाती है: जैसे समांतर चतुर्भुज के विकर्ण एक-दूसरे को समद्विभाजित करते हैं, यह दिखाने को शीर्ष (0, 0), (a, 0), (b, c), (a + b, c) लीजिए; दोनों विकर्णों का मध्य-बिंदु ((a + b)/2, c/2) एक ही है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. सिद्ध कीजिए कि दो विषम संख्याओं का गुणनफल विषम है।

(2a + 1)(2b + 1) = 4ab + 2a + 2b + 1 = 2(2ab + a + b) + 1, जो 2n + 1 रूप में है, इसलिए विषम। ∎

2. सिद्ध कीजिए कि तीन क्रमागत पूर्ण संख्याओं का योग 3 का गुणज है।

n + (n + 1) + (n + 2) = 3n + 3 = 3(n + 1), 3 का गुणज। ∎

3. खंडन कीजिए: 'यदि n अभाज्य है, तो 2n + 1 अभाज्य है।'

n = 7 लीजिए: 2(7) + 1 = 15 = 3 × 5, अभाज्य नहीं। एक प्रति-उदाहरण काफ़ी। ∎

4. n = 1, 2, 3, 4, 5 के लिए सभी स्थितियाँ जाँचकर दिखाइए कि n³ − n सम है।

0, 6, 24, 60, 120: सब सम। (सामान्य रूप में n³ − n = (n − 1)n(n + 1) में एक सम संख्या ज़रूर है, इसलिए हमेशा सम।)

5. विरोधाभास से सिद्ध कीजिए कि कोई सबसे बड़ी सम संख्या नहीं है।

मान लें E सबसे बड़ी सम संख्या है। तब E + 2 भी सम है और E + 2 > E। यह E के सबसे बड़ा होने के विरुद्ध है। इसलिए कोई सबसे बड़ी सम संख्या नहीं। ∎

6. रेखाएँ AB और CD बिंदु O पर काटती हैं। सिद्ध कीजिए ∠AOC = ∠BOD।

∠AOC + ∠COB = 180° (रेखा AB पर कोण)। ∠COB + ∠BOD = 180° (रेखा CD पर कोण)। इसलिए ∠AOC = 180° − ∠COB = ∠BOD। ∎ (शीर्षाभिमुख कोण बराबर।)

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. किसी दावे को ग़लत दिखाने के लिए चाहिए:
2. 'यदि यह वर्ग है, तो इसकी चार भुजाएँ हैं' का विलोम है:
3. कोई भी विषम संख्या लिखी जा सकती है:
4. विरोधाभास से उपपत्ति शुरू होती है:
5. त्रिभुज के कोण-योग की उपपत्ति में कौन-सा तथ्य लगता है?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

गणितीय उपपत्ति क्या है?

परिभाषाओं, अभिगृहीतों और ज्ञात प्रमेयों से शुरू होने वाली सही कारणों की कड़ी, जो दिखाती है कि कथन हर संभव स्थिति में सत्य है।

विरोधाभास से उपपत्ति क्या है?

कथन को असत्य मानकर दिखाना कि इससे कोई असंभव बात निकलती है, इसलिए कथन सत्य होना चाहिए। प्रसिद्ध उदाहरण: √2 अपरिमेय है।

सभी स्थितियाँ जाँचने और प्रति-उदाहरण में क्या अंतर है?

सभी स्थितियाँ जाँचकर दावा सिद्ध किया जाता है। प्रति-उदाहरण एक टूटने वाली स्थिति ढूँढकर दावे का खंडन करता है।

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