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時空 解 さんの日記

 
2020
4月 15
(水)
09:16
数学の "証明" って、何?
本文
皆さん、おはようございます。時空 解です。
 
この3日間ほど、ユークリッドの互除法に悩んでいました。
ユークリッドの互除法と言うのは、2つの自然数の最大公約数を求める方法です。Wikipedia によると「明示的に記述された最古のアルゴリズム」とも言われているそうなんですが、その定式化された解法手順を行うと、どうして最大公約数が求められるのか?
その証明に悩んでいたんです。
 
ここで「ガロア理論の頂を踏む」と言う書籍から、その証明を引用してみましょう。ここで $ (a,~b) $ と言うのは $ a $ と $ b $ の最大公約数を表す記号です。
証明 $ (a,~b) = g, (b,~r) = h $ とおいて、実は $ g = h $ であることを示しましよう。
 $ a,b $ は $ g $ の倍数なので、自然数 $ a',b' $ を用いて、
     $ a = a'g,~b = b'g …(1) $
と書くことができます。
 $ a $ を $ b $ で割った商を $ q $ とします。余りが $ r $ ですから、
     $ a = qb + r …(2) $   これより、$ r = a - qb $
これに $ (1) $ を代入して、$ r = a'g - qb'g = (a' - qb')g $
となり $ r $ も $ g $ を約数として持ちます。もともと $ b $ は $ g $ を約数として持ちますから、$ g $ は $ b $ と $ r $ の公約数です。公約数は最大公約数以下ですから、
$ g \leqq h $ です。
 また、$b, r $ は $ h $ の倍数なので、自然数 $ c', r' $ を用いて、
     $ b = c'h,  r = r'h $
と書くことができます。$ (2) $ にこれを代入して、
     $ a = qb + r = qc'h + r'h = (qc' + r')h $
 $ a $ は $ h $ を約数に持ちます。$ b $ はもともと $ h $ を約数に持ちますから、$ h $ は $ a $ と $ b $ の公約数です。公約数は最大公約数以下なので、$ g \geqq h $ です。
 $ g \leqq h $ かつ $ g \geqq h $ が示されたので、$ g = h $ です。
(証明終わり)
個人的にはどうにも最後の行「$ g \leqq h $ かつ $ g \geqq h $ が示されたので、$ g = h $ です。」が腑に落ちませんでした。
この書籍では、上記の証明の前に直感的な解釈と言うことを示していて「2つの自然数を縦と横に持つ長方形として考えると…」と言う説明が載っています。
この手の説明はネット上に転がっていますので参照してみて下さい。例えば下記の動画

・【整数の性質が超わかる!】◆ユークリッドの互除法 (高校数学I・A)
 


私はこの動画を観ても頭に入ってきません…。
 
でもやっと、自分で正方形を書いたり、その正方形の大きさで縦に2倍、横に3倍等、いろいろ書いてみてやっと腑に落ちました。 
 
数学の証明って、いったい何でしょうね?分からない数式を示してくれるものではないの? 汗

数式に慣れていないと証明を見ても納得できません。それよりも正方形の絵を描いてみた方が納得のゆく理解が出来ます。

証明って物事の関連性を表した数式が、正しい、あるいは事実である、と言うことを明らかにすることですよね?
でも自分で絵を描いた方が納得できることの方が多いと思いませんか?
有名なピタゴラスの定理、直角三角形の斜辺と他の2辺との関係式 $ r^2 = a^2 + b^2 $ 。この証明も図を用いならが証明がなされなければ理解に苦しむのではないでしょうか?
 
証明そのものから、イメージがどれだけ出来るか!それが数学のセンスと言われればそれまでです。ううっ
数学の学習を進めると、このセンス?、イマジネーションが獲得できるんでしょうかねぇ…。
 
では今日も休日を始めます。休日の充実こそ、人生の充実です。 

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