A 数学语言、集合与条件控制 · 12

含量词命题的否定

否定含量词命题,关键不是在原句前加上“不是”,而是准确说明原要求怎样失败:“全部成立”因一个例外而失败,“至少一个成立”因一个也找不到而失败。由此可以看清,量词和性质为什么必须同时改变。

否定全称命题

否定全称命题:找到一个例外

先读清原命题的要求:在同一对象范围 $M$ 内,每一个对象都必须满足性质 $p(x)$。

$$\forall x\in M,\ p(x).$$

这句话中,$x\in M$ 固定检查范围,$\forall$ 要求范围内每一个对象都通过,$p(x)$ 是每个对象要满足的性质。要使“每一个都满足”失败,不需要所有对象都不满足;只要在 $M$ 中找到一个不满足 $p(x)$ 的对象即可。

$$\neg(\forall x\in M,\ p(x))\iff \exists x\in M,\ \neg p(x).$$

从原命题到它的否定,逐项看清三个部分的变化。

对象范围 $M$ 仍在原来的 $M$ 中检查对象,没有更换范围。 范围不变
$\forall$ 变为 $\exists$ 原来的全部要求,被一个例外击破。 量词互换
$p(x)$ 变为 $\neg p(x)$ 要找的是不满足原性质的对象。 性质否定

“并非所有对象都具有某性质”表示“至少有一个对象不具有该性质”,并不表示“所有对象都不具有该性质”。

否定存在命题

否定存在命题:一个也找不到

存在量词命题声称:在对象范围 $M$ 中,至少能找到一个满足 $p(x)$ 的对象。

$$\exists x\in M,\ p(x).$$

这里 $x\in M$ 限定寻找范围,$\exists$ 只要求至少一个对象,$p(x)$ 规定寻找目标。要使“至少有一个满足”失败,就必须让 $M$ 中每一个对象都不满足 $p(x)$。

$$\neg(\exists x\in M,\ p(x))\iff \forall x\in M,\ \neg p(x).$$

否定后的对象范围不变,但寻找要求和对象性质同时反转。

对象范围 $M$ 仍然只讨论原来范围内的对象。 范围不变
$\exists$ 变为 $\forall$ 要说明一个也找不到,必须检查每一个对象。 量词互换
$p(x)$ 变为 $\neg p(x)$ 每一个对象都必须不满足原性质。 性质否定

换成自然语言,“不存在满足该性质的对象”就是“每一个对象都不满足该性质”。只有量词和性质一起改变,才准确表达原存在命题的失败。

两处同时改变

为什么量词和性质必须同时改变

只改量词或只改性质,得到的都是另一条命题,不能完整表达原命题怎样失败。

保留 $\forall$,只否定 $p(x)$ 得到“每一个对象都不满足”,比“不是每一个都满足”更强。 不是原否定
只把 $\forall$ 改为 $\exists$ 得到“至少有一个对象满足原性质”,仍在断言原性质成立。 没有否定性质
只把 $\exists$ 改为 $\forall$ 得到“每一个对象都满足原性质”,没有表达一个也找不到。 没有否定性质
保留 $\exists$,只否定 $p(x)$ 得到“至少有一个对象不满足”,不等于“没有任何对象满足”。 不是原否定

正确的否定始终保留原对象范围,同时完成两处改变:全称量词与存在量词互换,性质 $p(x)$ 变为 $\neg p(x)$。

同一性质的否定

用同一个性质看清两种否定

在实数范围内固定 $p(x):x\leq1$。性质 $p(x)$ 的否定是 $x>1$;对象范围始终是实数。

全称命题的否定:一个反例成为存在对象

$$\forall x\in\mathbb R,\ x\leq1.$$

范围是实数,量词 $\forall$ 要求每一个实数都满足 $x\leq1$。取 $x=2$,有 $2\leq1$ 不成立,所以原命题为假。

$$\exists x\in\mathbb R,\ x>1.$$

否定后的范围仍是实数,量词变为 $\exists$,性质变为 $x>1$。同一个 $x=2$ 正是满足否定命题的对象。

存在命题的否定:必须让每个对象都不满足

$$\exists x\in\mathbb R,\ x\leq1.$$

范围是实数,量词 $\exists$ 只要求找到一个满足 $x\leq1$ 的对象。取 $x=0$ 就能证明原命题为真。

$$\forall x\in\mathbb R,\ x>1.$$

否定后的范围仍是实数,量词变为 $\forall$,性质变为 $x>1$。而 $x=0$ 又是这个全称命题的反例,所以否定命题为假。

反例与存在对象

反例与存在对象承担不同任务

两种判断有时都只给出一个对象,但这个对象是在击破“全部”,还是在完成“至少一个”,必须分清。

寻找全称命题的反例

给出一个不满足性质的对象,就击破了“每一个都成立”,因此足以否定全称命题。

寻找存在命题所需的对象

给出一个满足性质的对象,就完成了“至少有一个成立”,因此足以证明存在命题。

两项任务虽然都可能只需给出一个对象,针对的原命题和判断目的却不同:反例使全称要求失败,满足条件的对象使存在要求成立。

核心结论

核心理解:范围不变,要求反转

写含量词命题的否定时,先固定对象范围,再把全称量词与存在量词互换,同时否定性质 $p(x)$。

全部成立的失败来自一个例外,至少一个成立的失败来自全部都不成立。量词和性质一起改变,正是这两种失败方式的准确表达。

对象范围不变 → 量词互换 → 性质同时否定。