Automatische Generierung lesbarer Beweise für geometrische Sätze
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- Elvira Küchler
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1 Automatische Generierung lesbarer Beweise für geometrische Sätze Jürgen Richter-Gebert
2 Was ist ein geometrischer Satz? Geometrische Aussagen: drei Punkte sind kollinear drei Geraden gehen durch einen Punkt (oder sind parallel) sechs Punkte liegen auf einem Kegelschnitt vier Punkte liegen auf einem Kreis zwei Strecken sind gleich zwei Winkel sind gleich und Negationen solcher Aussagen Geometrischer Satz: Hypothese 1, Hypothese 2,..., Hypothese k = Konklusion
3 1. Stolperstein: Nicht-Degeneriertheits-Bedingungen Satz von Desargues: Liegen in der projektiven Ebene die Punktetripel: (1, 2, 3); (1, 4, 8); (2, 4, 0); (2, 5, 9); (3, 5, 6); (3, 0, 8); (5, 0, 7); (9, 4, 7); (7, 6, 8) auf einer Geraden, so ist auch (1, 9, 6) kollinear ist so nicht korrekt:
4 2. Stolperstein: konstruktiv vs. nicht-konstruktiv Hilbert (Grundlagen der Geometrie, 1899): Unter einem reinen Schnittpunktsatz verstehen wir hier einen Satz, der eine Aussage über die vereinigte Lage von Punkten und Geraden und über die Parallelität von Geraden enthält.... Jeder solche... Satz läßt sich auf die folgende Form bringen: Man wähle zunächst ein System von endlich vielen Punkten und Geraden willkürlich, sodann ziehe man in vorgeschriebener Weise zu gewissen dieser Geraden beliebige Parallele, wähle auf gewissen der Geraden beliebige Punkte und lege durch gewisse der Punkte beliebige Geraden; wenn man dann in vorgeschiebener Weise Verbindungsgerade, Schnittpunkte sowie Parallele durch bereits vorhandene Punkte konstruiert, so gelangt man schließlich zu einem bestimmten System von endlich vielen Geraden, von welchem der Satz aussagt, daß sie durch nämlichen Punkt hindurchlaufen oder parallel sind. Es gibt nicht-konstruktive Theoreme: B C D A E AB EC; BC AD; CD BE; DE CA = EA DB Hypothesen sind nur erfüllbar, wenn 5 im Koordinatisierungskörper ist.
5 3. Stolperstein: reell vs. komplex Zwischenergebnisse können komplex sein Sätze bleiben oft dennoch wahr.
6 Algebraisches Beweisen Hypothese 1, Hypothese 2,..., Hypothese k = Conclusion h 1 (X) = 0, h 2 (X) = 0,..., h k (X) = 0 = c(x) = 0 X = (x 1,..., x n ) sind die Parameter des Problems. Die Diagonalen im Rechteck halbieren sich. AB AC, AB CD, AC BD, coll(a, M, D), coll(b, M, C) = M = mid(a, D) C=(0, c) D=(d 1, d 2 ) M= (m 1, m 2 ) c d 2 = 0 (m 1 b) b d 1 = 0 (m 2 d 2 ) bc m 1 c m 2 b = 0 d 1 m 2 d 2 m 1 = 0 d 1 2m 1 = 0 d 2 A=(0, 0) B=(b, 0)
7 Automatisches Beweisen: die algebraische Methode Übersetze die Hypothesen und die Konklusion in Polynome Wu, Chou Finde geeignete Nicht-Degeneriertheits- Bedingungen und eine Polynomidentität algorithmisch Kutzler, Stifter Addiere offensichtliche Nicht-Degeneriertheits- Bedingungen Finde geeignete Polynomidentität algorithmisch Betrachte die Polynomidentität als Beweis
8 Automatisches Beweisen: allgemeine Verfahren Wähle ein Koordinatensystem Übersetze die Hypothesen und die Konklusion in Polynome Finde Polynomidentität mittels Gröbner Basen Ritts characteristic sets Cylindric algebraic decomposition Betrachte die Polynomidentität als Beweis
9 Der Satz von Pappos a b c 5 e f g 6 h i j 7 k l m 8 o p q 9 r s t [147] = 0 cl =bm [159] = 0 gs = ft [168] = 0 jp = iq [249] = 0 at = cr [258] = 0 eq = go [267] = 0 hm= jk [348] = 0 bo = ap [357] = 0 fk = el [369] = 0 ir =hs
10 Kollinearitäten Kollinearität der Punkte abc läßt sich durch Produkte von Dreiecksflächen ausdrücken. d c b a e area(abd) = ab H d,l /2 area(abe) = ab H e,l /2 area(acd) = ac H d,l /2 area(ace) = ac H e,l /2 abc kollinear = area(abd) area(ace) = area(abe) area(acd) abc kollinear oder ade kollinear area(abd) area(ace) = area(abe) area(acd)
11 Automatisches Beweisen: invariantentheoretischer Ansatz Übersetze die Hypothesen und die Konklusion in Determinantenidentitäten Finde Polynomidentität mittels Gauß-Algorithmus Simplex-Algorithmus Betrachte die Polynomidentität als Beweis
12 Der Satz von Pappos [147] = 0 [124][173] = [143][127] [159] = 0 [125][193] = [153][129] [168] = 0 [126][183] = [153][129] [249] = 0 [423][129] = [124][923] [258] = 0 [523][128] = [125][823] [267] = 0 [623][127] = [126][723] [348] = 0 [143][823] = [423][183] [357] = 0 [153][723] = [523][173] [369] = 0 [163][923] = [623][193]
13 Der Satz von Desargues [479] = 0 = [471][496] = [476][491] [916] = 0 = [914][962] = [912][964] [259] = 0 = [256][291] = [251][296] [240] = 0 = [248][203] = [243][208] [083] = 0 = [082][035] = [085][032] [570] = 0 = [573][508] = [578][503] [213] = 0 = [215][234] = [214][235] [418] = 0 = [412][487] = [417][482] [536] = 0 = [532][567] = [537][562] [768] = 0 or [745] = 0 = [532][567] = [537][562]
14 Eine nicht-realisierbare Konfiguration i c a b d e f g h j [ab i] = 0 [abh] [ag i] = + [abg] [ah i] [acf] = 0 [adf] [ac j] = [acd] [af j] [adh] = 0 [abd] [afh] = [abh] [adf] [b c e] = 0 [b cd] [b ej] = [bde] [b c j] [bdg] = 0 [abg] [bde] = [abd] [b eg] [cdj] = 0 [acd] [b c j] = + [ac j] [b cd] [ef j] = 0 [af j] [eg j] = + [ae j] [f g j] [eg i] = 0 [aeg] [gh i] = [ag i ] [egh] [fh i] = 0 [ah i] [f gh] = [afh] [gh i] [ghj] = 0 [egh] [f g j] = + [eg j] [f gh] [ab e] = 0 or [eg j] = 0 [aeg] [b ej] = + [ae j] [b eg]
15 Kegelschnitte Allgemeiner Kegelschnitt: alle (x, y, z) mit a x 2 + b y 2 + c z 2 + d xy + e xz + f yz = 0 Sechs Punkte auf einem Kegelschnitt: det x 2 1 y1 2 z1 2 x 1 y 1 x 1 z 1 y 1 z 1 x 2 2 y2 2 z2 2 x 2 y 2 x 2 z 2 y 2 z 2 x 2 3 y3 2 z3 2 x 3 y 3 x 3 z 3 y 3 z 3 x 2 4 y4 2 z4 2 x 4 y 4 x 4 z 4 y 4 z 4 x 2 5 y5 2 z5 2 x 5 y 5 x 5 z 5 y 5 z 5 x 2 6 y6 2 z6 2 x 6 y 6 x 6 z 6 y 6 z 6 = 0 Dies faktorisiert zu: [123][156][246][345] [456][126][135][234] = 0
16 Der Satz von Pascal conic: [125] [136] [246] [345] = + [126] [135] [245] [346] [157] = 0 [159] [257] = [125] [579] [168] = 0 [126] [368] = + [136] [268] [247] = 0 [245] [279] = [249] [257] [269] = 0 [249] [268] = [246] [289] [348] = 0 [346] [358] = + [345] [368] [359] = 0 [135] [589] = [159] [358] [789] = 0 [289] [579] = + [279] [589]
17 Euklidische vs. projektive Geometrie Elemente der projektiven Geometrie Punkte, Geraden, Kegelschnitte... Inzidenzen, (Tangentialbedingungen)... Zusätzliche Strukturen im Euklidischen Kreise, die Ferngerade... Winkel, Abstände, Senkrechtstehen... Bei der Einbettung der euklidischen Ebene in die projektive Ebene gilt: Ferngerade: H = (0, 0, 1) Kreisgleichung: x 2 + y 2 + a xz + b yz + c z 2 = 0 Alle Kreise gehen durch die komplexen Punkte I = (1, i, 0), J = (1, i, 0), es gilt H = I J. Euklidische Geometrie ist: Projektive Geometrie zusammen mit I und J. Kreise sind Kegelschnitte durch I und J.
18 Der Satz von Miquel Gegeben seien acht Punkte 1, Wenn 1234, 1256, 2367, 3478, 1458 kozirkular sind, dann auch circ(1234) : [J34][J12][I23][I14] = [I12][I34][J14][J23] circ(1256) : [I12][J15][J26][I65] = [J12][I26][I15][J65] circ(2367) : [J23][I26][I37][J67] = [I23][J26][J37][I67] circ(3478) : [I34][J37][8I7][8J4] = [J34][I37][8J7][8I4] circ(1458) : [J14][I15][8J5][8I4] = [I14][J15][8I5][8J4] circ(5678) : [I65][J67][8J5][8I7] = [J65][I67][8I5][8J7]
19 Höhensatz In jedem Dreieck treffen sich die Höhenlinien. E B C F D A harm (IJ; AD) : [IA ][JD ] = [ID ][JA ] harm (IJ; BE) : [IB ][JE ] = [IE ][JB ] harm (IJ; CF ) : [IC ][JF ] = [IF ][JC ] quad (IJ; DE; AB) : [IE ][DB ][AJ ] = +[IB ][DJ ][AE ] quad (IJ; EF ; BC) : [IF ][EC ][BJ ] = +[IC ][EJ ][BF ] quad (IJ; F D; CA) : [ID ][FA ][CJ ] = +[IA ][FJ ][CD ] quad (DA; EB; F C) : [DB ][EC ][FA ] = +[DC ][EA ][FB ]
20 Winkelhalbierende In jedem Dreieck treffen sich die Winkelhalbierenden. C D B E F A quad (IJ; AC; EE) : [IC ][AE ][EJ ] = +[IE ][AJ ][EC ] quad (IJ; BA; F F ) : [IA ][BF ][FJ ] = +[IF ][BJ ][FA ] quad (IJ; CB; DD) : [IB ][CD ][DJ ] = +[ID ][CJ ][DB ] quad (JI; AC; EE) : [JC ][AE ][EI ] = +[JE ][AI ][EC ] quad (JI; BA; F F ) : [JA ][BF ][FI ] = +[JF ][BI ][FA ] quad (JI; CB; DD) : [JB ][CD ][DI ] = +[JD ][CI ][DB ] quad 2 (AD; BE; CF ) : [AE ][BF ][CD ] = ±[AF ][BD ][CE ] + : D, E, F treffen sich. : A D, B E, C F sind kollinear.
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