HY118- ιακριτά Μαθηµατικά Παρασκευή, 11/03/2016 Αντώνης Α. Αργυρός e-mail: argyros@csd.uoc.gr Το υλικό των διαφανειών έχει βασιστεί σε διαφάνειες του Kees van Deemter, από το University of Aberdeen 3/15/2016 1 1
Από τις υποθέσεις στα συµπεράσµατα... Έχουµε υποθέσεις p, θέλουµε να αποδείξουµε το συµπέρασµα q. Βρες ένα s 1 τέτοιο ώστε p s 1 Τότε o κανόνας modus ponens δίνει το s 1. Μετά, βρές s 2 τέτοιο ώστε s 1 s 2. Τότε o κανόνας modus ponens δίνει το s 2.. Και ελπίζουµε να βρούµε ένα s n τ.ω.: s n q. Το πρόβληµα µε αυτή τη άµεση απόδειξη είναι ότι µπορεί να είναι δύσκολο να «δούµε» το «µονοπάτι» που οδηγεί στην p. 2
Από τα συµπεράσµατα στις υποθέσεις... Συχνά είναι πιο εύκολο να «δούµε» το ίδιο ακριβώς µονοπάτι, αν ξεκινήσουµε από το συµπέρασµα q κι όχι από τις υποθέσεις ηλαδή, πρώτα βρες ένα s n τέτοιο ώστε s n q. Μετά ένα s n-1 : s n-1 s n, κ.ο.κ µέχρις ότου βρείς ένα s 1 τέτοιο ώστε p s 1. Σηµειώστε ότι εξακολουθούµενα χρησιµοποιούµε modus ponensγια να διαδώσουµε την ισχύ των προτάσεων από την pστην s 1 στην στην s n στην q Βρίσκουµε το µονοπάτι προς τα πίσω, αλλά το εφαρµόζουµε προς τα εµπρός!!!! Αυτό δεν είναι το ίδιο µε την έµµεση απόδειξη!!! 3
Παράδειγµα Θεώρηµα: a>0,b>0,a b: (a+b)/2 > (ab) 1/2. Απόδειξη: εν είναι προφανές πως από τις υποθέσεις a>0, b>0, a bοδηγούµαστε στο συµπέρασµα (a+b)/2 > (ab) 1/2. Οπότε, ας δοκιµάσουµε να ξεκινήσουµε από το συµπέρασµα, (a+b)/2 > (ab) 1/2! 4
Βήµατα... (a+b)/2 > (ab) 1/2 (a+b) 2 /4 > ab (a+b) 2 > 4ab a 2 +2ab+b 2 > 4ab a 2 2ab+b 2 > 0 (a b) 2 > 0 Τώρα, εφόσον a b, (a b) 0, προκύπτει ότι (a b) 2 >0, και µπορούµε να ακολουθήσουµε την σωστή σειρά των βηµάτων 5
Απόδειξη παραδείγµατος Θεώρηµα: a>0,b>0,a b: (a+b)/2 > (ab) 1/2. Απόδειξη: a b (a b) 0 (a b) 2 >0 a 2 2ab+b 2 > 0 a 2 2ab+b 2 +4ab > 4ab a 2 +2ab+b 2 > 4ab (a+b) 2 > 4ab (a+b) 2 /4 > ab. Αφού ab>0, προκύπτει ότι (a+b)/2 > (ab) 1/2. 6
Άλλο ένα παράδειγµα Παιχνίδι µε τους εξής κανόνες: Υπάρχουν 15 πέτρες σε µία στοίβα. ύο παίκτες παίζουν εναλλάξ και καθένας τους µπορεί να πάρει 1, 2, ή 3 πέτρες από τη στοίβα. Νικητής είναι αυτός που παίρνει την τελευταία πέτρα. Θεώρηµα:Υπάρχει µία στρατηγική η οποία εξασφαλίζει στον 1 ο παίκτη την νίκη σε κάθε περίπτωση. Πως το αποδεικνύουµε; Ξεκινώντας από το τέλος του παιχνιδιού!!! 7
Ξεκινώντας από το τέλος... Ο Π1 νικά αν είναι σειρά του Π2 και δεν υπάρχουν πέτρες Ο Π1 µπορεί να το επιτύχει αυτό αν του µείνουν 1 ή 2 ή 3 πέτρες... Αυτό θα συµβεί αν στον Π2 µείνουν 4 πέτρες... Ο Π1 µπορεί να το επιτύχει αυτό αν του µείνουν 5 ή 6 ή 7 πέτρες... Αυτό θα συµβεί αν στον Π2 µείνουν 8 πέτρες... Κλπ! Παίκτης 1 Παίκτης 2 0 1, 2, 3 4 5, 6, 7 8 9, 10, 11 12 13, 14, 15 8
ιατυπώνοντας την απόδειξη από την αρχή... Θεώρηµα:Υπάρχει µία στρατηγική η οποία εξασφαλίζει στον 1 ο παίκτη την νίκη σε κάθε περίπτωση. Απόδειξη. Ο Π1 παίρνει 3 πέτρες, αφήνοντας 12. Αφού παίξει ο Π2, θα περισσέψουν 11, 10, ή 9 πέτρες. Σε κάθε περίπτωση, ο Π1 µπορεί να µειώσει τον αριθµό από πέτρες σε 8. Τότε ο Π2 θα µειώσει τον αριθµό από πέτρες σε 7, 6, ή 5. Σε κάθε περίπτωση, ο Π1 µπορεί να µειώσει τον αριθµό από πέτρες σε 4. Τότε, ο Π2πρέπει να τις µειώσει σε 3ή2, ή 1. Ο Π1 παίρνει τις τελευταίες πέτρες και κερδίζει!!! 9
Τέλος, κάποιες κοινές απατηλές αποδείξεις Μία απατηλήαπόδειξη είναι ένας µηχανισµός εξαγωγής συµπερασµάτων ο οποίος δεν ευσταθεί λογικά. Μία απατηλή απόδειξη µπορεί να οδηγεί σε εσφαλµένο συµπέρασµα Απατηλότητα αποδοχής του συµπεράσµατος: p qαληθές, και qαληθές, άρα pαληθές. (Όχι, γιατί F Tαληθές.) Απατηλότητα άρνησης της υπόθεσης: p qαληθές, και pψευδές, άρα qψευδές. (Όχι, πάλι επειδή F T αληθές.) 3/15/2016
Κυκλικός συλλογισµός 3/15/2016 Η απατηλότητα (εµµέσως ή αµέσως) του να υποθέτουµε την ισχύ του συµπεράσµατος, στην πορεία προς την απόδειξή του! Παράδειγµα: (για ακεραίους n) εάν ο n 2 είναι άρτιος τότε ο nείναι άρτιος. Επιχειρούµενη απόδειξη: Ο n 2 είναι άρτιος. Τότε ο n 2 =2kγια κάποιο ακέραιο k. ιαιρώντας και τα δύο µέλη µε nµας δίνει n = (2k)/n = 2(k/n). Οπότε υπάρχει ένας ακέραιος j (ο k/n) τέτοιος ώστε n=2j. Αρα ο nείναι άρτιος. Σε ποιό σηµείο χρησιµοποιείται κυκλικός συλλογισµός; Πως αποδεικνύεται ότι ο j= k/n = n/2 είναι ακέραιος, χωρίς πρώτα να υποθέσουµε ότι ο n είναι άρτιος;;;;
Ας µην ξεχνάµε Έχουµε επίσης δει µία ορθή απόδειξη για την ίδια πρόταση: µία καλή υπενθύµιση για το ότι εάν µία απόδειξη είναι εσφαλµένη, αυτό δεν σηµαίνει ότι το συµπέρασµα του αντίστοιχου θεωρήµατος δεν ισχύει!!! 3/15/2016
Όρια των αποδείξεων Μερικές πολύ απλές προτάσεις της θεωρίας αριθµών δεν έχουν αποδειχτεί ακόµα! Π.χ.. Εικασία του Goldbach: Έστω Α(x) = x άρτιος, P(x) = x πρώτος x( [x>2 A(x)] p q P(p) P(q) p+q = x). Κάθε άρτιος αριθµός µεγαλύτερος του 2 είναι το άθροισµα δύο πρώτων. 13
Και οι µεγαλύτεροι µαθηµατικοί έχουν προτείνει ψευδείς εικασίες! Ο Euler έκανε την εικασία ότι εάν n>2, το άθροισµα n 1 n οστών δυνάµεων θετικών ακεραίων δεν είναι n οστή δύναµη κάποιου ακεραίου. Παρέµεινε «αληθές» για όλες τις περιπτώσεις που δοκιµάστηκαν για 200 χρόνια, χωρίς όµως να µπορεί να βρεθεί απόδειξη. Το 1966, κάποιος παρατήρησε ότι 27 5 + 84 5 + 110 5 + 133 5 = 144 5 14
Και οι µεγαλύτεροι µαθηµατικοί έχουν προτείνει ψευδείς εικασίες! Ο Euler έκανε την εικασία ότι εάν n>2, το άθροισµα n 1 n οστών δυνάµεων θετικών ακεραίων δεν είναι n οστή δύναµη κάποιου ακεραίου. Παρέµεινε «αληθές» για όλες τις περιπτώσεις που δοκιµάστηκαν για 200 χρόνια, χωρίς όµως να µπορεί να βρεθεί απόδειξη. Το 1966, κάποιος παρατήρησε ότι 27 5 + 84 5 + 110 5 + 133 5 = 144 5 15
Θεωρία Συνόλων 3/15/2016 16
Εισαγωγή στη θεωρία συνόλων Ένα σύνολο είναι µία δοµή που αναπαριστά µία συλλογή διαφορετικών αντικειµένων (ενδεχοµένως κενή) τα οποία δεν έχουν διάταξη. Η θεωρία συνόλων ασχολείται µε πράξεις, σχέσεις και προτάσεις σχετικά µε τα σύνολα. Τα σύνολα είναι πανταχού παρόντα στα υπολογιστικά συστήµατα. Όλατα µαθηµατικά µπορούν να οριστούν µε κάποια µορφή της θεωρίας συνόλων (χρησιµοποιώντας κατηγορηµατικό λογισµό). 3/15/2016 17 17
Εισαγωγή στη θεωρία συνόλων Σχεδόν οτιδήποτε µπορείτε να κάνετε µε διαφορετικά αντικείµενα, µπορείτε να το κάνετε και µε σύνολα αντικειµένων.π.χ. (µιλώντας άτυπα), µπορείτε Να αναφέρεστε σε αυτά, να τα συγκρίνετε, να τα συνδυάζετε, Επίσης, µπορείτε να κάνετε µε σύνολα, πράγµατα που δεν µπορείτε, πιθανά, να κάνετε µε συγκεκριµένα αντικείµενα: Π.χ., µπορείτε: Να ελέγξετε αν ένα σύνολο περιέχεται σε ένα άλλο Να καθορίσετε πόσα στοιχεία έχει Να τα χρησιµοποιήσετε σαν το πεδίο ορισµού µεταβλητών στον κατηγορηµατικό λογισµό 3/15/2016 18 18
Βασικοί συµβολισµοί για τα σύνολα Για τα σύνολα, θα χρησιµοποιούµε τις µεταβλητές S, T, U, Μπορούµε να συµβολίζουµε ένα σύνολο Sµε το να απαριθµούµεόλα τα στοιχεία του σε αγκύλες: Το σύνολο S = {a, b, c} περιέχει τρία στοιχεία, τα οποία συµβολίζονται µε τα a, b, c. Επίσης, µπορούµε να ορίσουµε ένα σύνολο µε βάση µία ιδιότητα P που έχουν τα στοιχεία του το {x P(x)}είναι το σύνολο όλων των x που έχουν την ιδιότητα P. 3/15/2016 19 19
Βασικές ιδιότητες των συνόλων Τα σύνολα είναι από τη φύση τους µη διατεταγµένα: Ανεξάρτητα από το τι είναι τα στοιχεία a, b, και c, {a, b, c} = {a, c, b} = {b, a, c} = Όλα τα στοιχεία είναι διαφορετικά µεταξύ τους. Οι πολλαπλές εµφανίσεις ενός στοιχείου δεν κάνουν καµία διαφορά! Εάν a=b, τότε {a, b, c} = {a, c} = {b, c} = {a, a, b, a, b, c, c, c, c}. Πόσα στοιχεία περιλαµβάνει; 2 στοιχεία (το πολύ)! 3/15/2016 20 20
Πολυσύνολα Υπάρχει ένα διαφορετικό µαθηµατικό κατασκεύασµα το οποίο ονοµάζεται πολυσύνολο, για το οποίο η προηγούµενη υπόθεση δεν ισχύει. Εάν a=b, τότε [c, a] = [c, b], αλλά [a, b, c] [a, c] [a,a,a,c] Συµβολισµός: Εάν B είναι πολυσύνολο, τότε count B (e)=πλήθος εµφανίσεων του e στο B Εποµένως, count [1,2,3,3,1,3,3] (3)=4 3/15/2016 21 21
Ορισµός της ισότητας συνόλων ύο σύνολα είναι ίσα αν και µόνο ανπεριέχουν ακριβώς τα ίδια στοιχεία. εν έχει σηµασία πως το σύνολο έχει οριστεί: Για παράδειγµα: {1, 2, 3, 4} = {x xακέραιος όπου x>0 και x<5 } = {x x θετικός ακέραιος του οποίου το τετράγωνο είναι µεγαλύτερο του 0 και µικρότερο του 25} 3/15/2016 22 22
Άπειρα σύνολα Τα σύνολα µπορεί να είναι άπειρα. Σύµβολα και µερικά άπειρα σύνολα ειδικού ενδιαφέροντος: N = {1, 2, } Οι φυσικοί (Natural). Z = {, -2, -1, 0, 1, 2, } Οι ακέραιοι (Γερµανικά: Zahl=αριθµός). R = Οι πραγµατικοί (Real) Q = Οι ρητοί (Quotient) Οι συµβολισµοί (N, Z, R, Q) χρησιµοποιούνται επίσης για τα παραπάνω ειδικά σύνολα. Τα άπειρα σύνολα έχουν διαφορετικά µεγέθη (!!!) Περισσότερα γι αυτό αργότερα... 3/15/2016 23 23
ιαγράµµατα Venn John Venn 1834-1923 3/15/2016 24 24
«ανήκει» x S ( το στοιχείο xανήκει στο σύνολο S ), είναι η πρόταση που λέει ότι το αντικείµενο x είναι ένα στοιχείο/µέλος του συνόλου S. π.χ. 3 N, α {x xγράµµα του αλφάβητου} : Από το ελληνικό «στίν» Συµβολισµός: x S : ορ. (x S) Πως θα ορίζαµε την ισότητα συνόλων µε βάση τον κατηγορηµατικό λογισµό; 3/15/2016 25 25
Ισότητα συνόλων Η ισότητα συνόλωνορίζεται µε βάση το : ύο σύνολα είναι ίσα αν και µόνο αν έχουν τα ίδια στοιχεία. S=T : ορ. x (x S x T) 3/15/2016 26 26
Ένα σύνολο µπορεί να είναι κενό Υποθέστε ότι καλούµε ένα σύνολο S κενό αν και µόνο αν δεν περιέχει κανένα στοιχείο: x(x S). Καλούµαστε να αποδείξουµε ότι: xy((κενό(x) κενό(y) x=y) Ποιό είναι το νόηµα της παραπάνω πρότασης; 3/15/2016 27 27
Ένα σύνολο µπορεί να είναι κενό Θέλουµε να αποδείξουµε ότι υπάρχει το πολύ ένα κενό σύνολο. Πως αυτό µπορούµε να το αποδείξουµε τυπικά; 3/15/2016 28 28
Υπάρχει µόνο ένα κενό σύνολο Θέλουµε να αποδείξουµε ότι: xy((κενό(x) κενό(y) x=y) Ας υποθέσουµε ότι υπάρχουν δύο σύνολαακαιβ διαφορετικά µεταξύ τους, έτσι ώστε και τα δύο να είναι κενά. Εποµένως, x(x A) x(x Β) Εφόσον Α Β, θα ισχύει πως x(x Α (x Β)) x(x Β (x Α)) Η 1η πρόταση δεν µπορεί να ισχύει γιατί x(x Α). Η 2η πρόταση δεν µπορεί να ισχύει γιατί x(x Β) Αντίφαση. Εποµένως υπάρχει το πολύ ένα κενό σύνολο. και επειδή υπάρχει και τουλάχιστον ένα, το κενό σύνολο είναι ένα και µοναδικό. 3/15/2016 29 29
Το Κενό Σύνολο Είδαµε ότι υπάρχει ακριβώς ένα κενό σύνολο, εποµένως θα του δώσουµε ένα ειδικό όνοµα: ( το κενό σύνολο ) είναι το µοναδικό σύνολο που δεν περιέχει κανένα στοιχείο. = {} 3/15/2016 30 30
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου S T ( Το Sείναι υποσύνολοτου T ) σηµαίνει ότι κάθε στοιχείο του Sείναι επίσης και στοιχείο του T. Πως µπορούµε να ορίσουµε τη σχέση υποσυνόλου µε βάση τον κατηγορηµατικό λογισµό; 3/15/2016 31 31
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου S T ( Το Sείναι υποσύνολοτου T ) σηµαίνει ότι κάθε στοιχείο του Sείναι επίσης και στοιχείο του T. S T : ορ. x (x S x T) 3/15/2016 32 32
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου Τι λέτε για τα παρακάτω; S S ; S ; 3/15/2016 33 33
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου Τι λέτε για τα παρακάτω; S S ; ΝΑΙ S ; 3/15/2016 34 34
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου Τι λέτε για τα παρακάτω; S S ; ΝΑΙ S ; ΝΑΙ 3/15/2016 35 35
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου Τι λέτε για τα παρακάτω; S S ; S ; 3/15/2016 36 36
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου Τι λέτε για τα παρακάτω; S S ;ΟΧΙ S ; 3/15/2016 37 37
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου Τι λέτε για τα παρακάτω; S S ;ΟΧΙ S ;ΌΧΙ πάντα! Π.χ., {, α, β} αλλά {α, β} 3/15/2016 38 38
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου Αυτό µας βοηθά να κατανοήσουµε περισσότερο τον τελεστή «εάν τότε» Η πρόταση x (P(x) Q(x))σηµαίνει ότι «τα στοιχείαπου έχουν την ιδιότητα Pείναι υποσύνολο των στοιχείων που έχουν την ιδιότητα Q» Αν κανένα στοιχείο στο π.ο. της x δεν έχει την ιδιότητα P, τότε η πρόταση x (P(x) Q(x)) είναι αληθής Αν όλα τα στοιχεία έχουν την ιδιότητα Q, τότε η πρόταση x (P(x) Q(x)) είναι και πάλι αληθής Η µόνη περίπτωση να είναι ψευδής η πρόταση είναι να υπάρχει ένα στοιχείο µε την ιδιότητα Pπου να µην έχει την ιδιότητα Q 3/15/2016 39 39
Σχέσεις υποσυνόλου και υπερσυνόλου Περισσότεροι συµβολισµοί: S T ( Το Sείναι υπερσύνολοτου T ) : ορ. T S. Σηµειώστε ότι S=T S T S T. : ορ. (S T), δηλ. x(x S x T) S T 3/15/2016 40 40
Γνήσιαυποσύνολα και υπερσύνολα S T ( Το Sείναι γνήσιο υποσύνολο του T ) σηµαίνει ότι S T S T Παράδειγµα:{1,2} {1,2,3} Ισχύει ότι {1,2,3} {1,2,3},... αλλά όχι ότι {1,2,3} {1,2,3} 3/15/2016 41 41
Τα σύνολα είναι αντικείµεναεπίσης! Τα στοιχεία ενός συνόλου µπορούν να είναι από µόνα τους σύνολα. Π.χ. S={{1,2}, {1,3}} Προσοχή: {1,2} {{1,2}} 3/15/2016 42 42
Πληθικός αριθµός S ( ο πληθικός αριθµόςτου S ) είναι το πλήθος των στοιχείων του S. π.χ., =0, {1,2,3} = 3, {a,b} = 2, {{1,2,3},{4,5}} = 2 Εάν S N, τότε λέµε ότι το Sείναι πεπερασµένο. Αλλιώς, λέµε ότι το S είναι άπειρο. 3/15/2016 43 43