KMA/MDS Matematické důkazy a jejich struktura

Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.0141 KMA/MDS Matematické důkazy a jejich struktura Seminář 1

Cílem tohoto semináře je efektivní uvedení do matematického uvažování, zejména matematického dokazování. Studenti matematiky zpravidla bývají seznamováni s důkazy za pochodu. Je jim přednášena ta která matematická teorie včetně důkazů a očekává se, že student časem vnikne do matematického uvažování, a sám se naučí důkazy číst 1, modifikovat i tvořit. Jiného názoru byli pánové Rowan Garnier a John Taylor, kteří napsali skvělou knihu 100% Mathematical Proof ([3]), jejíž hlavní cíl je seznámení čtenáře s hlavními principy axiomatické metody, která je matematice vlastní, a zejména představení struktury důkazů, jejich typů a tvorby. Kniha je psána velmi přístupným způsobem a pomalu a systematicky uvádí čtenáře do této problematiky. Je ji schopen číst každý maturant. Možná vhodnější knihou je How to prove it : a structured approach od D. Vellemana [7], kde je důraz kladen na naučení studentů tvořit vlastní důkazy. Jsou tam ukázány různé tipy a strategie při dokazování konkrétních i typových tvrzení. Obě tyto knihy naleznete v univerzitní knihovně. Zmiňme ještě do češtiny přeloženou knihu Matematické důkazy od německého autora R. Thieleho ([4]), kde je spíš vědecko-populárním způsobem čtenář seznámen se základními principy matematiky. Může se zde dovědět spoustu zajímavostí, které se na matematické přednášce nedozví, ale které by vědět mohl/měl. Pozornosti by vám nemělo uniknout ani skriptum Úvod do matematiky od M. Závodného [8]. Lze jen konstatovat, že česky psané literatury věnované principům matematického dokazování příliš mnoho není. Zato v angličtině je jich celá řada (stačí napsat v nějakém internetovém vyhledávači klíčová slova proof, mathematical proof, mathematical thinking, mathematical proving, apod.). Hlavním nástrojem používaným při usuzování je matematická logika. Pro naše potřeby bude stačit přečíst část první kapitoly elektronického skripta [1] nebo třeba úvod a první paragrafy první kapitoly knihy [5]. Studentům, které logika zaujala, je možno doporučit třeba poslední kapitolu skripta [2], stejně jako knihy [5] a [6] (vše je v češtině). Veškerá zde zmíněná literatura je dostupná v univerzitní nebo vědecké knihovně. Axiomatická metoda základní pojmy Ve zkratce zmiňme princip axiomatické metody, na které je založena každá moderní matematická teorie. Základem každé matematické teorie je tzv. axiomatický systém. Axiomatický systém je souhrn základních pojmů (tzv. primitiv) a axiomů. Základní pojem neboli primitivum je objekt axiomatického systému, popř. vlastnost objektu, vztah mezi objekty nebo operace nad nimi, který stojí na začátku teorie a je ponechán bez vysvětlení. Axiom je tvrzení o základních pojmech (popř. o pojmech odvozených viz dále), které opět stojí na počátku teorie a jsou považována za pravdivá. Dříve se axiomy chápaly jako něco natolik zřejmého, že to nebylo potřeba dokazovat. Dnes jsou chápány jako předpoklady příslušné teorie. 1 Čtením důkazu se rozumí jeho pochopení. 2

Matematická teorie kromě axiomatického systému obsahuje definované/odvozené pojmy a věty. Definovaný/odvozený pojem je pojem odvozený ze základních pojmů, nebo pojmů již dříve definovaných. Pojem je uveden v život v tzv. definici. Věta je pravdivé tvrzení o základních nebo definovaných pojmech, jejíž pravdivost logicky plyne z axiomů či jiných vět. Demonstraci pravdivosti se říká důkaz. Tvrzení o kterém nevíme, zda je v dané teorii pravdivé, říkáme hypotéza. Tento popis je velmi stručný. V následujících seminářích všechny pojmy postupně zpřesníme. Základním prostředkem vyjadřování a dokazování bude výrokový a zejména predikátový počet. Formální způsob vyjadřování byl zvolen proto, abychom se nemuseli zabývat různými logickými paradoxy. Z didaktických důvodů se prvních pár přednášek budeme bavit (jednodušším) výrokovým počtem, zpřesníme pojmy jako tvrzení, logicky plyne nebo důkaz atp. Výrokový počet základní pojmy Následuje suchý popis potřebných pojmů. Pro potřeby tohoto semináře je pár věcí zamlčeno a zjednodušeno. Pro korektnější výklad je vřele doporučena první kapitola skript [1]. Výrok Výrok budeme chápat jako tvrzení/větu, o které má smysl uvažovat, zda je pravdivé či nepravdivé. Přitom výrok není pravdivý ani nepravdivý současně. Pravdivostní hodnota výroku Každému výroku lze přiřadit tzv. pravdivostní hodnotu. A to bud pravda zkráceně 1 pokud je výrok pravdivý, nebo nepravda zkráceně 0 pokud je výrok nepravdivý. Logické spojky Ve výrokové logice nás budou zajímat logické spojky a jejich použití při vytváření nových výroků. Budou nás zajímat pouze ty nejznámější spojky a to unární spojka negace a binární spojky konjunkce, disjunkce, implikace a ekvivalence. Negace Jde o tzv. unární spojku, protože nepracuje s více výroky ale pouze s jedním. Negace se značí symbolem a používá se následovně. Je-li A výrok, pak jeho negace se značí A a čte neplatí A. Např. negaci výroku prší můžeme číst jako neplatí, že prší nebo neprší. Pravdivostní hodnoty negace: Je-li výrok A pravdivý, pak A je nepravdivý. 3

Je-li výrok A nepravdivý, pak A je pravdivý. Přehledně tato fakta můžeme zobrazit v tzv. pravdivostní tabulce: Konjunkce A A 0 1 1 0 Konjunkce je tzv. binární spojka, protože spojuje dva výroky. Konjunkce se značí symbolem a používá se následovně. Jsou-li A, B výroky, pak jejich konjunkce se značí A B a čte platí A a (současně) platí B. Např. konjunkci výroků měl jsem na oběd knedlík a měl jsem na oběd zelí můžeme číst jako měl jsem na oběd knedlík a zelí. Pravdivostní hodnoty konjunkce: Výrok A B je pravdivý pouze v případě, že jsou pravdivé oba dva výroky A a B. Pravdivostní tabulka: Disjunkce A B A B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Disjunkce se značí symbolem a používá se následovně. Jsou-li A, B výroky, pak jejich disjunkce se značí A B a čte platí A nebo platí B. Např. disjunkci výroků měl jsem na oběd knedlík a měl jsem na oběd zelí můžeme číst jako měl jsem na oběd knedlík nebo zelí. Pravdivostní hodnoty disjunkce: Výrok A B je nepravdivý pouze v případě, že jsou nepravdivé oba dva výroky A a B. Pravdivostní tabulka: A B A B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 U této spojky je nutné zdůraznit, že se nepoužívá ve smyslu vylučovacím, jak tomu většinou bývá při používání v běžné řeči. Např. je-li výrok měl jsem na oběd knedlík nebo zelí, znamená to, že jsem mohl mít oboje běžně bychom tento výrok pochopili tak, že jsem na oběd neměl tyto dvě jídla současně. Implikace Implikace se značí symbolem a používá se následovně. Jsou-li A, B výroky, pak jejich implikace se značí A B a čte platí-li A, pak platí i B nebo jestliže A, pak B. Dokonce se někdy říká platí B, jestliže platí A. Např. implikaci výroků měl 4

jsem na oběd knedlík a měl jsem na oběd zelí můžeme číst jako jestliže jsem měl na oběd knedlík, pak jsem měl (na oběd) i zelí. Pravdivostní hodnoty implikace: Výrok A B je nepravdivý pouze v případě, že A je pravdivý a B je nepravdivý. Tuto definici si lze pamatovat pomocí hesla pravda nemůže implikovat nepravdu, ale nepravda může implikovat cokoliv. Pravdivostní tabulka: A B A B 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 Narozdíl od předchozích spojek je implikace pro začátečníka poměrně obtížnou spojkou. Je potřeba si uvědomit, že pravdivost výroku A B nic neříká o pravdivosti výroků A a B ale pouze o vztahu jejich pravdivostních hodnot. Zejména nic neříká o platnosti výroku A! V implikaci A B se výroku A říká předpoklad (premisa) a výroku B závěr. Dále, platí-li implikace A B, pak se říká, že výrok A je postačující podmínkou výroku B a také, že výrok B je nutnou podmínkou výroku A. Ekvivalence Ekvivalence se značí symbolem a používá se následovně. Jsou-li A, B výroky, pak jejich ekvivalence se značí A B a čte platí A právě tehdy, když platí B. Např. ekvivalenci výroků měl jsem na oběd knedlík a měl jsem na oběd zelí můžeme číst jako Měl na oběd knedlík právě tehdy, když jsem měl zelí. Pravdivostní hodnoty ekvivalence: Výrok A B je pravdivý pouze v případě, že A a B mají stejnou pravdivostní hodnotu. Pravdivostní tabulka: A B A B 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Stejně jako u implikace, pravdivost výroku A B nic neříká o pravdivosti výroků A a B ale pouze o vztahu jejich pravdivostních hodnot. Zajímavé je, že u ekvivalence nemá tolik lidí problém s pochopením, jako u implikace. Jednoduchý versus složený výrok Výroky typu měl jsem na oběd knedlík budeme chápat jako jednoduché výroky. Výroky poskládané z takových jednoduchých výroků pomocí logických spojek budeme nazývat složenými, např. výrok měl jsem na oběd knedlík a zelí lze chápat jako složený výrok vytvořený pomocí kojunkce z jednoduchých výroků měl jsem na oběd knedlík a měl jsem na oběd zelí. 5

Výroková forma Ve výrokové logice nás nebude zajímat smysl ani pravdivost jednoduchých výroků, ale jen tvar (forma) složených výroků. Například z hlediska výrokové logiky pro nás následující výroky mají stejný tvar: Jestliže jsem měl na oběd knedlíky a zelí, pak 2+2 = 4 a Jestliže včera svítilo slunce a pršelo, pak je sníh červený. Evidentně jde o úplně různé výroky mluvící o různých věcech, které mohou mít různou pravdivostní hodnotu. Něco mají ovšem společné a to tvar (formu). Oba se dají zapsat ve tvaru (A B) C, kde v prvním případě jsme označili písmenem A výrok měl jsem na oběd knedlíky, písmenem B výrok měl jsem na oběd zelí, písmenem C výrok 2 + 2 = 4, a v druhém případě jsme označili písmenem A výrok včera svítilo slunce, písmenem B výrok včera svítilo slunce a pršelo, písmenem C výrok sníh je červený. Říkáme pak, že ty dva uvedené výroky jsou instancemi výrokové formy (a b) c, kde písmenům a, b, c se říká výrokové proměnné. Dostáváme se tak k pojmu formalizující pojem výrok ve výrokovém počtu. Výroková forma bude řetězec symbolů poskládaných z tzv. symbolů výrokové logiky, což jsou výrokové symboly, např. a, b, p, q,..., symboly výrokových spojek, a to,,,,, pomocné symboly, což jsou kulaté závorky (, ), popř. pro zvýšení přehlednosti lze použít i hranaté. Výroková forma neboli formule výrokového počtu nebo jen formule je bud výrokový symbol (tzv. výroková proměnná), nebo jsou-li α, β výrokové formy, pak jsou výrokovými formami i výrazy α, (α β), (α β), (α β), (α β), přitom vnější závorky formule lze vynechat. Například řetězec symbolů (a b) c je výrokovou formou. A to z toho důvodu, že 1. a, b jsou výrokové symboly, tedy i výrokové formy, 2. pak (a b) je také výrokové forma, 3. c je výrokový symbol, tedy i výroková forma, 4. pak ((a b) c) je výroková forma 5. a odebráním vnějších závorek dostáváme, že i (a b) c je výroková forma. 6

Nutno podotknout, že symboly výrokové logiky jsou opravdu jen symboly. Nejde tedy o logické spojky ale o jejich označení. Podrobnosti viz [1]. Popsali jsme tedy, jak vypadá výroková forma tj. popsali jsme její syntaxi. Nyní se podíváme na sémantiku 2 výrokových forem. K tomu je potřeba pojem pravdivostní ohodnocení. Tím budeme intuitivně rozumět přiřazení pravdivostních hodnot 1 a 0 k výrokovým proměnným. Detaily opět najdete v [1]. Při daném pravdivostním ohodnocení lze spočítat pravdivostní hodnotu dané formule a to podle již definovaných pravdivostních tabulek. Tzn. pro výrokové formule a, b definujeme a a 0 1 1 0 a b a b a b a b a b 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 Mějme například formuli (a b) c o třech výrokových proměnných. Jedním z pravdivostních ohodnocení je např., že symbolu a přiřadíme 1, symbolu b přiřadíme 0 a symbolu c přiřadíme 1. Pak podle výše uvedené tabulky má formule (a b) ohodnocení 0 a podle stejné tabulky má formule (a b) c ohodnocení 1. To lze přehledně zapsat do tabulky: a b c a b (a b) c 1 0 1 0 1 Do formule lze za výrokové proměnné dosazovat jiné formule. Dostáváme tak další formuli. Značení: Výroky budeme značit velkými písmeny (tj. A, B, C,...), výrokové proměnné malými písmeny (a, b,..., p, q,...) a výrokové formy malými písmeny řecké abecedy (α, β,..., ϕ, η,...). Pokud by nám došly symboly, budeme používat dolní indexy (např. A 1, A 2,...). Pravidlo nahrazení Mějme formuli α s výrokovými proměnnými a 1,..., a n a formule β 1,..., β n. Pak nahrazením všech výskytů proměnných a 1,..., a n ve formuli α postupně formulemi β 1,..., β n vznikne opět formule. Instance výrokové formy Dosadíme li do výrokové formy za výrokové proměnné konkrétní výroky, vzniklému (složenému) výroku říkáme instance výrokové formy. Pravdivostní tabulka výrokové formy Tato tabulka podobně jako pravdivostní tabulky logických spojek dává pravdivostní hodnoty jakékoliv formule při všech možných pravdivostních ohodnoceních. Např. pravdivostní tabulka formule (a b) c vypadá takto 2 Zhruba řečeno, syntaxe je o zápisu a sémantika je o významu/smyslu. 7

a b c a b (a b) c 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 V posledním sloupci jsou přehledně shrnuty pravdivostní hodnoty formulí při odpovídajícím pravdivostním ohodnocení výrokových proměnných (ve stejném řádku). Ostatní sloupce napravo od rozdělovací čáry jsou pouze pomocné. Tautologie Tautologie je výroková forma, která je pravdivá při každém pravdivostním ohodnocení. Prakticky to lze ověřit snadno. Stačí sestavit pravdivostní tabulku této formule. Formule je pak tautologií právě tehdy, když ve sloupci této formule jsou samé jedničky. Tautologiím se také říká logické zákony. Budou pro nás základním nástrojem při dokazování. Zde je seznam některých důležitých tautologií. 1. (p q) (q p) 2. (p q) (q p) 3. (p (q r)) ((p q) r) 4. (p (q r)) ((p q) r) 5. (p (q r)) ((p q) (p r)) 6. (p (q r)) ((p q) (p r)) 7. (p q) ( p q) 8. (p q) ( p q) 9. p p 10. (p q) ( p q) 11. (p q) ( q p) 12. (p (p q)) q 13. ( q (p q)) p 14. (p q) ((p q) (q p)) Ověření, že jde skutečně o tautologie, je dobrým cvičením na práci s pravdivostními tabulkami formulí. 8

Kontradikce Naopak kontradikce je výroková forma, která je nepravdivá při každém pravdivostním ohodnocení. Zřejmě platí, že negace tautologie je kontradikce a naopak. Ještě je nutno dodat, že vznikne-li formule z jiné nahrazením všech výskytů jejích proměnných formulemi, je tautologií (resp. kontradikcí), jestliže původní formule byla tautologií (resp. kontradikcí). Splnitelná formule Splnitelná formule je taková, která je pravdivá při alespoň jednom pravdivostním ohodnocení. Platí, že formule je splnitelná právě tehdy, když není kontradikce. Cvičení Následující cvičení jsou povětšinou převzaty (popř. přeloženy) z doporučené literatury, kde je jich možno najít více. Úloha 1.1 Vypočtěte, kolik existuje unárních a kolik binárních spojek. Úloha 1.2 Necht A, B jsou výroky. Odpovězte na následující otázky (při řešení je možno s výhodou použít pravdivostní tabulky příslušných spojek): 1. Známe-li pravdivostní hodnotu výroku A, co lze říct o pravdivostní hodnotě výroku A? 2. Je-li výrok A B pravdivý a B nepravdivý, co lze říct o pravdivosti výroku A? 3. Je-li výrok A B pravdivý a B pravdivý, lze něco říct o pravdivosti výroku A? 4. Je-li výrok A B nepravdivý a B pravdivý, co lze říct o pravdivosti výroku A? 5. Je-li výrok A B nepravdivý a B nepravdivý, lze něco říct o pravdivosti výroku A? 6. Je-li výrok A B pravdivý a A pravdivý, co lze říct o pravdivosti výroku B? 7. Je-li výrok A B nepravdivý a B nepravdivý, co lze říct o pravdivosti výroku A? Odpovědi na otázky je potřeba zažít (ale ne nabiflovat!), abyste je mohli kdykoliv v budoucnu bez přemýšlení použít. (Toto cvičení slouží k osvojení sémantiky základních spojek, zejména implikace.) Úloha 1.3 Uvažujme následující výroky: C: Budu mít více času. K: Naučím se hrát na klavír. P : Zdvojnásobím si plat. 9

Zapište pomocí symbolů C, K, P a logických spojek následující výroky: 1. Jestliže budu mít víc času, zdvojnásobím si plat, ale nebudu se učit hrát na klavír. 2. Jestliže budu mít víc času, pak se budu učit hrát na klavír, a když budu mít více času, pak si zdvojnásobím plat. 3. Jestliže se budu učit hrát na klavír, pak nebudu mít více času a ani si nezdvojnásobím plat. 4. Jestliže si zdvojnásobím plat a naučím se hrát na klavír, nebudu mít více času. 5. Jestliže budu mít více času, naučím se hrát na klavír, a jestli se naučím hrát na klavír, zdvojnásobím si plat. (Toto cvičení slouží k tomu, aby student byl schopen okamžitě překládat z běžné řeči do formálního jazyka výrokové logiky.) Úloha 1.4 Uvažujme následující výroky: S: Slunce svítí. V : Vítr fouká. D: Prší. T : Teplota roste. Proved te: 1. Napište česky následující složené výroky: (a) V ( S D), (b) (V D) S, (c) (V D) T, (d) (S V ) (D T ). 2. Za předpokladu, že výroky S, V, D, T jsou všechny pravdivé, zjistěte, která následující složené výroky jsou pravdivé a které ne: (a) (S V ) ( D T ), (b) (S D) (T V ), (c) ((D T ) (V S)). (Část 1. tohoto cvičení slouží k tomu, aby student byl schopen okamžitě překládat z formálního jazyka výrokové logiky do běžné řeči.) Úloha 1.5 Pomocí pravdivostní tabulky ověřte, že formule v části Tautologie jsou opravdu všechny tautologiemi. (Toto cvičení je zaměřeno k procvičení určování pravdivostních hodnot logických spojek a také k zapamatování důležitých tautologií, které budou hrát v dalším významnou roli.) 10

Reference [1] Bělohlávek, R., Vychodil, V., Diskrétní matematika pro informatiky I., UP Olomouc, 2004. [dostupné online: http://belohlavek.inf.upol.cz/vyuka/dm1.pdf ] [2] Bělohlávek, R., Vychodil, V., Diskrétní matematika pro informatiky II., UP Olomouc, 2004. [dostupné online: http://belohlavek.inf.upol.cz/vyuka/dm2.pdf ] [3] Garnier, R., Taylor, J., 100% Mathematical Proof, John Wiley & Sons, Chichester, 1996. [4] Thiele, R., Matematické důkazy, SNTL, Praha, 1986. [5] Sochor, A., Klasická matematická logika, Karolinum, Praha, 2001. [6] Švejdar, V., Logika: neúplnost, složitost a nutnost, Academia, Praha, 2002. [dostupné také online: http://www1.cuni.cz/ svejdar/book/logikasve2002.pdf ] [7] Velleman, D.J., How to prove it : a structured approach, Cambridge University Press, New York, 2006. [8] Závodný, M., Úvod do matematiky, Přírodovědecká fakulta, UP v Olomouci, Olomouc, 2013. 11