4. Induktives Definieren - Themenübersicht
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- Reiner Meissner
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1 Induktives Definieren 4. Induktives Definieren - Themenübersicht Induktives Definieren Natürliche Zahlen Operationen auf natürlichen Zahlen Induktive Algorithmen Induktiv definierte Mengen Binärbäume Boolesche Terme Syntaktische Substitution Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
2 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Natürliche Zahlen Definition 4.1 (Peano-Axiome) (4.1) P1 0 ist eine natürliche Zahl: 0 N. P2 Jede natürliche Zahl n besitzt eine eindeutig bestimmte natürliche Zahl s(n) als Nachfolger: n N. m N. m = s(n) P3 0 ist nicht Nachfolger einer natürlichen Zahl: n N. 0 = s(n) P4 Verschiedene natürliche Zahlen haben verschiedene Nachfolger: m, n N. n m s(n) s(m) P5 Induktionsaxiom: Ist M N mit 0 M und der Eigenschaft, dass aus n M auch s(n) M folgt, so muss M = N gelten. ( ) ( ) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
3 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Existenz und Eindeutigkeit des Vorgängers Lemma 4.1 Jede von 0 verschiedene natürliche Zahl n ist Nachfolger einer eindeutig bestimmten anderen natürlichen Zahl. Diese wird auch als Vorgänger von n bezeichnet. Beweis Sei n N von 0 verschieden. Zunächst zeigen wir, dass n Nachfolger einer natürlichen Zahl m N ist bzw. in der Menge M liegt, die definiert ist durch: M = df {s(m) m N}. Sei weiter M df M {0}. Wegen (P2) impliziert m M auch s(m) M. Damit liegen die Voraussetzungen des Induktionsaktioms (P5) vor und es folgt M = N. Wegen (P3) gilt außerdem M = N\{0}. Somit gilt n M. Die Eindeutigkeit des Vorgängers folgt direkt aus Axiom (P4). Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
4 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Operationen auf natürlichen Zahlen Definition 4.2 (Addition natürlicher Zahlen) (4.2) Die Addition zweier Zahlen aus N ist induktiv definiert durch 0 + m = df m s(n) + m = df s(n + m) Definition 4.3 (Multiplikation natürlicher Zahlen) (4.2) Die Multiplikation zweier Zahlen aus N ist induktiv definiert durch 0 m = df 0 s(n) m = df m + (n m) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
5 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Beispiele Addition von 2 und 1 s(s(0)) + s(0) (b) = s(s(0) + s(0)) (b) = s(s(0 + s(0))) (a) = s(s(s(0))) Multiplikation von 2 und 3 s(s(0)) s(s(s(0))) (d) = s(s(s(0))) + (s(0) s(s(s(0)))) (d) = s(s(s(0))) + (s(s(s(0))) + (0 s(s(s(0))))) (c) = s(s(s(0))) + (s(s(s(0))) + 0). (a) = s(s(s(s(s(s(0)))))) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
6 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Operationen auf natürlichen Zahlen Definition (Induktiv fortgesetzte Summen und Produkte) k i=1 k i=1 n i n i = df = df 0 falls k = 0 ( k 1 n i ) + n k sonst i=1 1 falls k = 0 ( k 1 n i ) n k sonst i=1 Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
7 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Operationen auf natürlichen Zahlen Definition 4.1 (Fakultät und Potenzen) (Beispiel 4.1) n n! = df i = (... (1 2)...) n) i=1 n m n = df m = (... (m m)...) m). i=1 }{{} n mal Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
8 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Operationen auf natürlichen Zahlen Lemma 4.2 Für alle n N gilt: n + 1 = s(n). Beweis (1/2) Wir definieren die zu der obigen Gleichheit gehörige Menge M durch: Offensichtlich gilt 0 M, denn: M = df {n N n + 1 = s(n)} = 0 + s(0) (Def. 4.2.a) = s(0). Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
9 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Operationen auf natürlichen Zahlen Lemma 4.2 Für alle n N gilt: n + 1 = s(n). Beweis (2/2) Für n M folgt weiter auch s(n) M, denn: s(n) + 1 (Def. 4.2.b) = s(n + 1) (n M) = s(s(n)). Also folgt M = N mit dem Induktionsaxiom (P5), womit die Aussage bewiesen ist. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
10 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Türme von Hanoi Für n = 0 ist nichts zu tun. Für n > 0 Verschiebe n 1 Scheiben von Stapel A nach B, wobei C als Hilfsstapel dient. Verschiebe die n-te Scheibe von Stapel A nach C. Verschiebe n 1 Scheiben von Stapel B nach C, wobei A als Hilfsstapel dient. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
11 Induktives Definieren 4.1 Natürliche Zahlen Induktiv strukturierte Mengen Definition 4.4 (4.4) Sei 1 A eine Menge elementarer oder atomarer Bausteine und 2 O eine Menge von Operatoren (oder Konstruktoren) mit zugehörigen Stelligkeiten k 1, die es erlauben, kleinere Bausteine zu grösseren Einheiten zusammenzusetzen. Die durch A und O induktiv beschriebene Menge M ist die kleinste Menge, für die gilt: 1 A M und 2 Ist o ein Operator der Stelligkeit k und sind m 1,..., m k M, so ist auch o(m 1,..., m k ) M. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
12 Induktives Definieren 4.2 Induktiv strukturierte Mengen Induktiv strukturierte Mengen: Binäre Bäume Beispiel 4.5 (4.2) Binäre Bäume sind die kleinste Menge mit 1 Der leere Binärbaum ist ein atomarer Binärbaum und 2 Falls T 1 und T 2 Binärbaume sind, so ist auch [T 1, T 2 ] ein Binärbaum. T 1 ist linker und T 2 rechter Teilbaum von diesem. [[[, ], [[, ], ]], [, ]] Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
13 Induktives Definieren 4.2 Induktiv strukturierte Mengen Induktiv strukturierte Mengen: Boolesche Terme Definition 4.6 (4.5) Sei V eine Menge von Booleschen Variablen, z.b. V = {X, Y, Z,...}. Die Menge BT aller Booleschen Terme über V ist die kleinste Menge mit: 1 T, F und Boolesche Variable aus V sind atomare Boolesche Terme. 2 Sind t 1 und t 2 Boolesche Terme, so sind auch t 1, die Negation von t 1, ( t 1 t 2 ), die Konjunktion von t 1 und t 2 und ( t 1 t 2 ), die Disjunktion von t 1 und t 2 Boolesche Terme. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
14 Induktives Definieren 4.2 Induktiv strukturierte Mengen Syntaktische Substitution Definition 4.7 (4.6) Die Substitution ist eine dreistellige Abbildung [ / ] : BT BT V BT. t 1 [t 2 /X ] intuitiv: Der Term, der entsteht, wenn in t 1 die Variable X an allen Stellen durch den Term t 2 ersetzt wird. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
15 Induktives Definieren 4.2 Induktiv strukturierte Mengen Syntaktische Substitution Definition 4.7 Die Substitution ist eine dreistellige Abbildung [ / ] : BT BT V BT. t 1 [t 2 /X ] formal: Induktiv über den Aufbau von t 1 T[t/X ] = df F[t/X ] = df T F { t falls Y = X Y [t/x] = df Y sonst ( t 1 )[t/x] = df (t 1 [t/x]) (t 1 t 2 )[t/x] = df (t 1 [t/x] t 2 [t/x]) (t 1 t 2 )[t/x] = df (t 1 [t/x] t 2 [t/x]) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
16 Induktives Definieren 4.2 Induktiv strukturierte Mengen Syntaktische Substitution Beispiel 4.8 (4.3) (Y X )[t/x ] = ((Y X )[t/x ]) = (Y [t/x ] X [t/x ]) = (Y X [t/x ]) = (Y t) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
17 5. Darstellung und deren Bedeutung - Übersicht Darstellung und deren Bedeutung Zeichreihen Semantikschemata Backus-Naur-Form Induktive Semantikschemata Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
18 Repräsentation Repräsentanten der natürlichen Zahl vier : Dezimal: 4 Binär: 100 Unär: Römisch: IV Umgekehrt: Unterschiedliche Interpretation der Repräsentation IV : Römische Zahl Akronym (Individualverkehr, Intravenös,..) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
19 5.1 Zeichenreihen Zeichenreihen Definition 5.1 (4.7) Sei A eine endliche Menge von Zeichen (auch Alphabet genannt). Eine Zeichenreihe (auch Wort) w der Länge n N über A ist eine Funktion w : {1,..., n} A. Für n = 0 ist {1,..., n} leer. Man bezeichnet die Zeichenreihe als das leere Wort ɛ. Die Menge aller Zeichenreihen über A mit Länge n wird mit A n bezeichnet (A 0 = {ɛ}). Kleenesche Hülle A von A: A = df A n. n N Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
20 5.1 Zeichenreihen Zeichenreihen Definition 5.2 (4.8) Seien w 1 und w 2 Zeichenreihen der Länge n und m über A. Dann ist die Konkatenation von w 1 und w 2 definiert durch: w 1 w 2 : {1,. {.., n + m} A w1 (i) falls 1 i n w 1 w 2 (i) = w 2 (i n) falls n + 1 i n + m Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
21 5.2 Semantikschemata Semantikschemata Definition 5.3 (4.9) Ein Semantikschema ist ein Tripel (R, I, [[ ]]) mit R: Menge der Repräsentationen, I: Menge der Informationen, [[ ]] R I: Semantikrelation oder Interpretation. Statt [[ ]](r) schreibt man [[ r ]]. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
22 5.2 Semantikschemata Unärdarstellung natürlicher Zahlen Beispiel 5.4 (4.4) R u = df { } + = {,,,...}, I u = df N + = {1, 2,... }, [[ ]] u ist definiert durch [[... ]] }{{} u = df n. n Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
23 5.2 Semantikschemata Dezimaldarstellung natürlicher Zahlen Beispiel 5.5 (4.5) R d = df {0,..., 9} +, I d = df N = df {0, 1, 2,...}, [[ ]] d ist definiert durch n [[ w ]] d = df 10 n i [[ w(i) ]] z i=1 Dabei bezeichnet [[ ]] z den Wert einer Dezimalziffer, also [[ 0 ]] z = df 0,..., [[ 9 ]] z = df 9. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
24 5.2 Semantikschemata Binärdarstellung natürlicher Zahlen Beispiel 5.6 (4.6) R b = df {0} {1 w w {0, 1} } I b = df N [[ ]] b ist definiert durch n [[ w ]] b = df 2 n i [[ w(i) ]] bz i=1 Dabei bezeichnet [[ ]] bz den Wert einer Binärziffer, also [[ 0 ]] bz = df 0 und [[ 1 ]] bz = df 1. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
25 5.2 Semantikschemata Binärdarstellung endl. Mengen natürlicher Zahlen Beispiel 5.7 (4.7) R bs = df {0, 1} +, I bs = df P(N) und [[ ]] bs ist definiert durch [[ w ]] bs = { w i i {1,..., w } w(i) = 1}. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
26 5.3 Backus-Naur-Form Backus-Naur-Form Definition (BNF) BNF besteht aus endlich vielen Regeln der Form <N> ::= w. Linke Regelseite: Nichtterminalsymbol Rechte Regelseite: Zeichenreihe (ggf. auch leer), die sowohl Nichtteminalsymbole als auch Terminalsymbole enthalten kann. Notation: Statt <N> ::= w 1... <N> ::= w n schreibt man kurz <N> ::= w 1... w n Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
27 5.3 Backus-Naur-Form Beispiel zur Backus-Naur-Form Beispiel 5.8 (BNF für natürliche Zahlen) Die natürlichen Zahlen sind durch die folgende BNF definiert: <Nat> ::= 0 s(<nat>) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
28 5.3 Backus-Naur-Form BNF als Generator Definition (Ableitungsrelation) Seien T die Terminalzeichen, N die Nichtterminalzeichen und R die Regeln einer BNF, so ist die Ableitungsrelation (N T) (N T) wie folgt definiert: w w df w 1, w 2 (N T), A ::= w R. w = w 1 A w 2 w = w 1 w w 2 k : Ableitungsfolge in k Schritten (k N) = df k : Beliebige Ableitungsfolge k N Von Nichtterminal A erzeugte Sprache: L(A) = df {w T A w}. Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
29 5.3 Backus-Naur-Form BNF als Generator Beispiel (Ableitungsfolge) <Nat> s(<nat>) s(s(<nat>)) s(s(s(<nat>))) s(s(s(0))) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
30 5.3 Backus-Naur-Form Beispiele zur Backus-Naur-Form Beispiel 5.9 (BNF für Dezimalzahlen) (4.9) <DezimalZahl> ::= <DezimalZahl><Ziffer> <Ziffer> <Ziffer> ::= Beispiel 5.10 (BNF für Boolesche Terme) (4.10) <BT>::= T F <V> <BT> ( <BT> <BT> ) ( <BT> <BT> ) <V>::= X 0 X 1... Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
31 5.4 Induktive Semantikschemata Dezimaldarstellung natürlicher Zahlen Beispiel 5.11 (4.11) R d = df {0,..., 9} +, I d = df N = df {0, 1, 2,...}: Natürliche Zahlen (als Informationen, nicht als ihre Notation im Dezimalsystem!) und [[ ]] d ist induktiv definiert durch [[ z ]] d = df [[ z ]] z [[ w z ]] d = df 10 [[ w ]] d + [[ z ]] d Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
32 5.4 Induktive Semantikschemata Induktive Semantikschemata Definition 5.12 (Semantikfunktion (1/2)) (4.10) Die Semantikfunktion für Boolesche Terme ist eine Funktion [[ ]] : BT (B V {w, f }), die einem Booleschen Term unter Zuhilfenahme einer Belegung einen Wahrheitswert zuordnet. Sie ist wie folgt induktiv definiert: [[ T ]] B (β) = df w [[ F ]] B (β) = df f [[ X ]] B (β) = df β(x ) für alle X V [[ ( t 1 ) ]] B (β) = df ([[ t 1 ]] B (β)) [[ (t 1 t 2 ) ]] B (β) = df ([[ t 1 ]] B (β) [[ t 2 ]] B (β)) [[ (t 1 t 2 ) ]] B (β) = df ([[ t 1 ]] B (β) [[ t 2 ]] B (β)) Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
33 5.4 Induktive Semantikschemata Induktive Semantikschemata Definition 5.12 (Semantikfunktion (2/2)) (4.10) Dabei sind,, semantische Operationen auf den Wahrheitswerten {w, f }, die durch folgende Wahrheitstafel beschrieben sind: b 1 b 2 b 1 b 1 b 2 b 1 b 2 f f w f f f w w w f w f f w f w w f w w Prof. Dr. Bernhard Steffen Mathematik für Informatiker / 140
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