A 数学语言、集合与条件控制 · 09

充分条件与必要条件

判断一个条件对另一个条件是充分还是必要,先固定共同的讨论范围 $D$,再看命题的推出方向;遇到参数问题,还可以比较条件在 $D$ 中筛出的集合 $P,Q$。这样既能分清关系名称,也能求出参数的取值范围。

共同范围与箭头

从一条真命题理解充分与必要

先固定共同的讨论范围 $D$,再区分关于 $x$ 的条件 $p(x),q(x)$ 与由它们组成的完整命题。

如果对每一个 $x\in D$,只要 $p(x)$ 成立,$q(x)$ 就一定成立,那么命题“若 $p(x)$,则 $q(x)$”是真命题,简记为 $p\Rightarrow q$。

$$p\Rightarrow q$$

同一条箭头从两端观察,会得到“充分”和“必要”两个名称。

从 $p$ 出发

$p\Rightarrow q$

$p$ 足以保证 $q$,所以称 $p$ 是 $q$ 的充分条件。

从 $q$ 回看

$p\Rightarrow q$

每个满足 $p$ 的对象都必须满足 $q$,所以称 $q$ 是 $p$ 的必要条件。

判断“$p$ 是不是 $q$ 的必要条件”时,必须另查反方向 $q\Rightarrow p$,不能把“必要”误解成原箭头会自动倒转。

具体例子

用同一个例子看清两个方向

把两个条件放在共同范围 $D=\mathbb R$ 内,先证明正向箭头,再用反例检查反向箭头。

$$ \begin{aligned} &D=\mathbb R,\\ &p(x):x>2,\qquad q(x):x>1 \end{aligned} $$
检查 $p\Rightarrow q$ 若 $x>2$,那么必有 $x>1$,所以正向箭头成立。 成立
检查 $q\Rightarrow p$ 取 $x=\frac32$,此时 $x>1$ 成立,而 $x>2$ 不成立。 不成立

正向成立说明 $p$ 是 $q$ 的充分条件,反向不成立说明 $p$ 不是 $q$ 的必要条件。因此,$p$ 是 $q$ 的充分不必要条件;换一个观察方向,$q$ 是 $p$ 的必要不充分条件。

条件集合

条件在共同范围内筛出集合

条件本身不是集合,但每个条件都能从共同范围 $D$ 中筛出一批对象。把这些对象组成集合,推出方向就能翻译成包含方向。

$$ \begin{aligned} P&=\{x\in D\mid p(x)\},\\ Q&=\{x\in D\mid q(x)\} \end{aligned} $$
$p$ 是 $q$ 的充分条件 $p\Rightarrow q$ $P\subseteq Q$
$p$ 是 $q$ 的必要条件 $q\Rightarrow p$ $Q\subseteq P$

回到刚才的例子,两个条件筛出的集合是

$$P=(2,+\infty),\qquad Q=(1,+\infty)$$

因为 $P\subsetneqq Q$,$P$ 中的每个实数也都属于 $Q$,这正对应 $p\Rightarrow q$。

如果 $P,Q$ 互不包含,两条推出方向都不成立,那么 $p$ 是 $q$ 的既不充分也不必要条件。

参数范围

用包含关系求参数的取值范围

把刚才的端点 $2$ 改成参数 $a$。先比较两个条件关于变量 $x$ 的集合,再把集合关系翻译成参数 $a$ 的范围。

$$ \begin{aligned} &D=\mathbb R,\qquad a\in\mathbb R,\\ &p_a(x):x>a,\qquad q(x):x>1 \end{aligned} $$
$$P_a=(a,+\infty),\qquad Q=(1,+\infty)$$

参数 $a$ 移动区间端点,三种位置关系对应三种条件关系。

$a>1$ $P_a\subsetneqq Q$ 充分不必要
$a=1$ $P_a=Q$ 既充分又必要
$a<1$ $Q\subsetneqq P_a$ 必要不充分

$a>1$ 时,$x>a$ 能推出 $x>1$,反方向不一定成立;$a<1$ 时,推出方向正好相反;$a=1$ 时,两个条件筛出的范围完全相同。

只问是否充分

$p_a$ 是 $q$ 的充分条件,当且仅当 $a\ge 1$。

只问是否必要

$p_a$ 是 $q$ 的必要条件,当且仅当 $a\le 1$。

只有题目要求“充分不必要”或“必要不充分”时,才要排除 $a=1$,分别得到 $a>1$ 或 $a<1$。还要分清两种范围:$D,P_a,Q$ 描述变量 $x$ 的范围,而 $a>1$、$a=1$、$a<1$ 描述参数 $a$ 的取值范围。

判断步骤

判断时真正要做的事

先固定两个条件共同的讨论范围 $D$,再求出它们关于变量 $x$ 的集合 $P,Q$。把题目要求翻译成 $P\subseteq Q$、$Q\subseteq P$ 或 $P=Q$,解出参数范围后,再根据集合相等或真包含命名关系。

命题箭头说明“充分、必要”的含义,集合包含则把方向变成可以比较、可以计算的取值范围关系。

固定 $D$ → 求 $P,Q$ → 翻译包含或相等 → 解参数 → 命名关系。