何时使用
- 需要为定理(Theorem)、引理(Lemma)、推论(Corollary)、命题(Proposition)撰写严谨形式证明,或把非形式化的直觉论证转换为可发表的证明。
- 需要诊断并修复已有证明的逻辑跳步、量词错误、边界未处理、引用定理前提不满足等问题。
- 需要为机器学习理论、统计学习理论、最优化等场景做严谨推导,并产出可直接编译插入论文的 LaTeX。
- 仅需策略咨询(给出证明思路而不写完整证明)时也适用。
不该用的边界:纯数值计算/仿真、画图绘表、不要求严谨性的科普或直觉性说明、以及无明确前提与结论的开放性问题,均不适用本条。
约定:解释用中文,数学表达式与 LaTeX 代码用英文。
步骤
按五个阶段顺序执行,每阶段都有输入、输出与质检点:
- 主张提取:判定主张类型;列全前提条件与适用范围;写出形式化结论;确认所有符号定义。质检——主张是否可判定、符号是否全部已定义、前提是否足以推出结论。
- 文献/定理扫描:提取数学关键词(convergence、bound、concentration inequality 等),匹配可复用的已知结果(前文引理、参考文献、经典不等式如 Cauchy-Schwarz、Jensen、Hoeffding),区分「可直接引用 / 需修改后用 / 证明缺口」。质检——引用定理的前提是否满足、版本是否正确。
- 策略选择:基于结构选定主策略(可复合)。质检——策略是否匹配主张结构、是否给出选择理由。
- 逐步推导:每步含「陈述+推导+依据」,不跳过非显然步骤,量词作用域明确,复杂部分拆为独立引理。质检——每步是否有明确依据、是否有未声明假设、证明是否以 QED/$\square$ 收尾。
- LaTeX 排版:用 amsthm/amsmath 环境输出可编译代码,所有定理加
\label并用\ref/\eqref交叉引用。质检——能否编译、符号呈现、编号引用是否正确。
指令
- 八种证明策略及典型场景:直接证明(等式/不等式/集合包含)、反证法(唯一性/不可能性)、数学归纳法(递归/序列,含强归纳与结构归纳)、构造性证明(存在性/算法正确性)、归约法(NP-hardness/下界/等价性)、概率法(组合/图论/随机化算法)、凸性论证(最优化/Jensen 应用)、信息论方法(学习理论下界/隐私分析)。复杂证明常需复合,如「归纳+直接」「反证+构造」「归约+信息论」。
- 过渡语句规范使用学术英文:
By assumption, ...、It follows from Theorem X that ...、Combining (1) and (2), we obtain ...、Without loss of generality, ...。 - 禁止用 clearly / obviously / trivially 掩盖跳步;单步推导超过三行就提取为独立引理;所有变量先定义后使用。
- 所有非本文证明的结果必须给出引用;符号须与论文其余部分一致,有冲突在证明开头声明。
示例
证明:对所有 $x > 0$,$e^x \geq 1 + x$。
主张类型 Proposition;策略选直接证明(分析 $f(x)=e^x-1-x$)。LaTeX 输出:
\begin{proposition}
\label{prop:exp-lower-bound}
For all $x > 0$, we have $e^x \geq 1 + x$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Define $f(x) = e^x - 1 - x$. We have $f(0) = 0$ and
$f'(x) = e^x - 1 > 0$ for all $x > 0$. Therefore, $f$ is
strictly increasing on $(0, \infty)$, which implies
$f(x) > f(0) = 0$ for all $x > 0$. That is, $e^x > 1 + x$.
\qed
\end{proof}
进阶示例(PAC 学习有限假设类样本复杂度上界):主张类型 Theorem,前提 $|H|<\infty$、$m$ 个 i.i.d. 样本、$\varepsilon,\delta>0$;策略为「直接证明 + 概率法」,归约到 Hoeffding's inequality;结构为:对单个 $h$ 用 Hoeffding,对全体 $h$ 取 union bound,解出 $m \geq (1/\varepsilon)(\ln|H| + \ln(1/\delta))$。
注意事项
- 严谨性优先:宁可冗长也不跳步——读者可略过显然步骤,但无法填补缺失步骤。
- 可编译性:输出 LaTeX 必须无语法错误、可直接编译;列出所需宏包(amsthm、amsmath 等)及自定义
\newcommand。 - 学术语调:数学部分用正式学术英文,避免口语化。
- 一致性:符号、定理版本、量词作用域三者全程一致。
互见
- first-principles-thinking:从公理与定义出发拆解问题,辅助策略选择与逐步推导。
- fact-checking:核验所引用定理的前提是否满足、版本是否正确、引用是否到位。
本条采编自 voidful/academic-skills(MIT)。