1 Aussagenlogik und vollständige Induktion
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- Hildegard Steinmann
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1 Dr. Siegfried Echterhoff Aalysis 1 Vorlesug WS Aussagelogi ud vollstädige Idutio Die Mathemati basiert auf eier Reihe vo Axiome, d.h. auf mathematische Aussage, die als (offesichtlich? wahr ageomme werde, aus dee da mit Hilfe logischer Verüpfuge weitere Aussage als wahr erat werde. Beweise! Da eie geaue Darstellug der Axiome sehr aufwedig ist (dies wird vermutlich im. Semester im Modul LLogische Grudlageachgeholt, wolle wir us hier auf Aussage stütze die etwa aus dem Schuluterricht beat sid, ud diese we ötig ergäze. Was ist ei mathematischer Beweis? Sei B eie mathematische Aussage (wie etwa > 1 oder / Q. Wir wolle beweise, dass B wahr ist. Eie Aussage macht also ur Si, we ma die Frage ach wahr oder uwahr sivoll stelle a! Zum Beweis vo B fide eie bereichts als wahr erate Aussage A ud zeige A B (Aus A folgt B.Oft geligt dies icht i eiem Schritt, soder wir zeige eie Kette vo Folgeruge: A 1 A A 3... A l B Die Aussage A 1, A,... sid hier bei i der Regel logische Verüpfuge eier Vielzahl aderer Aussage. Wichtig: Eie Mathematische Aussage ist etweder wahr oder uwahr (iemals beides. Defiitio 1.1 (Verüpfuge vo Aussage, VB 1 Seie A, B Aussage. Wir defiiere: a Ud: A B ist wahr, geau da, we beide Aussage A ud B wahr sid. b Oder: A B ist wahr, geau da, we midestes eie der Aussage A, B wahr ist (also auch, we A ud B wahr ist. c Nicht: A ist wahr, geau da, we A icht wahr ist. d Folgt: A B ist wahr, geau da, we midestes eie der Aussage A B, A wahr ist (also A B wahr, geau da, we (A B ( A. 1 VB: wichtiges für das Voabelbuch 4 getext: Julia Wolters
2 Vorlesug WS Aalysis 1 Dr. Siegfried Echterhoff e Äquivalez: A B ist geau da wahr, we A ud B beide wahr oder uwahr sid ( ist somit gleich bedeuted mit gdw. Es gilt: (A B [(A B (B A] [(A B ( A B] Die Verüfuge,,,,, lasse sich auch gut i eier Wahrheitstabelle veraschauliche: A B A B A B A B A B A w w w w w w f w f f w f f f f w f w w f w f f f f w w w Wir werde später fast ie die Zeiche,, beutze, soder fast immer die etsprechede Worte ud, oder ud icht. Wir beötige auch Versioe vo ud ud oder für Systeme vo Aussage. Defiitio 1. (VB Sei {A i i I} ei System vo Aussage (I ist beliebige Idexmege. Wir setze a Für alle: Die Aussage [ i I gilt A i ] ist wahr gdw alle Aussage A i wahr sid. b Es gibt: Die Aussage [ i I mit A i ] ist wahr gdw midestes eie der Aussage A i wahr ist. Beachte: ist eie Form für für viele Aussage ud ist Form für für viele Aussage! Oft fidet ma auch die Quatore A i ( i I gilt A i bzw. i I A i ( i I mit A i. i I Ich beutze dieses aber fast ie! Allei aus der Defiitio vo, etc. a ma scho eue Aussage bastel, z.b. A B A B ud (A B (A B Aus der Defiitio der Zeiche folgt, dass diese wahr sid. Ebeso gelte: A (B C (A B (A C geau da we getext: Julia Wolters 5
3 Dr. Siegfried Echterhoff Aalysis 1 Vorlesug WS ud A (B C (A B (A C Beachte:, habe Vorrag vor ud!. Wir überprüfe z.b. die erste dieser Aussage mit Hilfe eier Wahrheitstafel: A B C A C A C B C A (B C (A B (A C w w w w w w w w w w f w f w w w w f w f w w w w w f f f f f f f f w w f f f f f f w f f f f f f f f w f f w f f f f f f f f f f Aus de letzte beide Spalte folgt also, dass A (B C geau da wahr ist, we auch (A B (A C wahr ist. Im Allgemeie sid die zu beweisede Aussage wesetlich omplexer ud icht mit Wahrheitstafel zu beweise! Wir wolle u ei erste Beispiel gebe: Beispiel 1.3 Sei N {1,, 3...} die Mege der atürliche Zahle. Für m, N sage wir > m, falls ei N existiert mit m +. Wir behaupte u die folgede Aussage: Sid, ml, r N, so gelte a Gilt > l ud m > r, so folgt + m > l + r, [d.h., m, l, r N gilt ( > l (m > r m + > l + r] b Gilt > l ud m > r, so folgt m > l r, [d.h., m, l, r N gilt ( > l (m > r m > l r] Beweis: a Da > l ud m > r folgt ach Defiitio für >, dass 1, N existiert mit l + 1, m r +. Aus de Recheregel i N folgt hieraus: + m (l (r + Assoziativgesetz, Kommuitativgesetz für + i N (l + r + ( 1 + (l + r + mit 1 + N Nach Defiitio für > folgt also + m > l + r. De Beweis vo b lasse wir als eifache Übugsaufgabe. 6 getext: Julia Wolters
4 Vorlesug WS Aalysis 1 Dr. Siegfried Echterhoff Frage: Aus welche wahre Aussage habe wir us im obige Beispiel gestüzt? 1.4 (Methode des idirete Beweises (VB Sei wieder B eie Aussage, die wir beweise wolle. Beim idirete Beweis suche wir eie uwahre Aussage A ud zeige, dass die Aussage B A wahr ist. We dies geligt, so ist B eie wahre Aussage, da wir habe die Äquivalez ( B A ( A B ud ach Voraussetzug ist A eie wahre Aussage! [ Beweis vo ( B A ( A B durch Wahrheitstafel : A B A B B A A B w w f f w w w f f w w w f w w f w w f f w w f f Beispiel 1.5 (Pythagoras Erierug: ratioale Zahle, ud solche, die ma als Bruch mit Z, m N schreibe a. Wir schreibe Q für die Mege aller ratioale Zahle. m Behauptug: Es gilt die Aussage B : [ / Q ] (i Worte: ist eie ratioale Zahl. Wir ehme a, dass B wahr ist, also Q. Da existiert Z, m N mit. Wir wolle zeige, dass hieraus eie uwahre Aussage folgt! m Ist, so öe wir durch Kürze des Bruches erreiche, dass oder m ugerade m ist. Da folgt: ( ( m m Hieraus folgt: m. Isbesodere folgt gerade, ud da Produte zweiser ugerader Zahle wieder ugerade sid, muss auch gerade sei, d.h. es existiert ei l Z \ {0} mit l. Es folgt 4l m, also m l ud wie obe folgt, dass auch m gerade ist. Wir habe gezeigt: Q m N mit m gerade m ugerade }{{} Diese Aussage ist icht wahr! getext: Julia Wolters 7
5 Dr. Siegfried Echterhoff Aalysis 1 Vorlesug WS Für die Durchführug idireter Beweise ist es wichtig, Aussage orret zu vereie. Hier eiige Grudregel: Lemma 1.6 Es gelte a (A B A B b (A B A B c ( i I gilt A i i I mit A i d ( i I mit A i i I gilt A i Diese Regel folge leicht aus de Defiitioe! Beispiel 1.7 Sei (a eie Folge i R. Nach Defiitio heißt (a overget, falls gilt: Es existiert ei a R, so dass für alle 0ε R ei N N existiert mit a a < ε N. Wir wolle die Aussage (a ist overget orret vereie, d.h. wir wolle eie brauchbare Aussage fide, die zur Aussage [(a ist icht overget] äquivalet ist. Dazu formuliere wir zuächst die Defiitio vo Kovergez vo (a mit Hilfe vo ud, um da die Rege aus 1.6 azuwede: Es gilt: (a ist overget a R mit ( 0 < ε R gilt ( N N mit ( N gilt a a < ε Nach Regel c ud d i Lemma 1.6 gilt da: (a ist icht overget a R gilt ( 0 < ε R mit ( N N gilt ( N mit a a < ε I Worte: Für alle a R exisitert ei ε > 0, so dass für alle N N ei N existiert mit a a ε. Das richtige Vereie mathematischer Aussage ist icht immer leicht! Häufig gemachter Fehler: Die Vereiug eier Aussage wird mit dem Gegeteil eier Aussage gleichgesetzt. Beispiel: Sei A die Aussage: Alle Mesche öe fliege. Eie solche Aussage wird häufig vereit durch (Alle Mesche öe icht fliege. Nach 1.6 c ist die richtige Vereiug aber: Es gibt (midestes eie Mesche, der icht fliege a. Wir omme u zu eiem wichtige Beweisprizip, das us machmal erlaubt, uedlich viele Aussage gleichzeitig zu beweise. Wir setzte voraus, dass die atürliche Zahle N {1,, 3...} ud N 0 N {0} ud die Recheregel auf N beat sid. Wichtigste 8 getext: Julia Wolters
6 Vorlesug WS Aalysis 1 Dr. Siegfried Echterhoff Eigeschaft vo N ist, dass für jede Zahl N geau ei Nachfolger + 1 N existiert, ud we wir mit 1 starte, so durchlaufe wir mit 1,, 3,...,, + 1,... jede atürliche Zahl geau eimal (Peao Axiom. 1.8 (Prizip der vollstädige Idutio Für alle N sei A eie Aussage. Ferer gelte: I1 (Idutiosafag A 1 ist wahr I (Idutiosschluss Für alle N gilt: A A +1 Da ist jede der Aussage A wahr. Die Idee ist atürliche lar: Um zu sehe, dass A wahr ist, betrachte wir die Schlussette A 1 A... A 1 A Da A 1 wahr ist, ud da mit I alle Pfeile wahr sid, ist da auch A wahr. Beispiel 1.9 Sid 1,... l Zahle, so setze wir ( + 1 i also i i i1 (: A Beweis durch vollstädige Idutio: I1 1 : 1 i1 1 (1 + 1 i 1, also ist A 1 wahr. I Wir zeige für alle N : A A +1. Sei also fest gewählt ud A sei wahr (ist A icht wahr, so ist ichts zu zeige. da da die Aussage A A +1 immer wahr ist!. Da folgt: +1 i1 A wahr ( i + ( + 1 i1 ( ( + 1 ( ( + 1 ( + 1 ( + ( + 1 (( getext: Julia Wolters 9
7 Dr. Siegfried Echterhoff Aalysis 1 Vorlesug WS d.h. die Aussage A +1 ist auch wahr! Damit ist der Schritt A A +1 N bewiese! I1 I Formel gilt für alle N! Bemerug: Die Aahme A ist wahr im Schritt I et ma auch Idutiosaahme! Es ist aürlich im Beweis stehts zu ezeiche, wo die Aahme eigeht! 1.10 (Wichtig! Das Prizip der vollstädige Idutio futioiert auch, we ei 0 Z ud Aussage A 0, A 0 +1, A 0 +,... habe. Da müsse wir zeige: I1 A 0 ist wahr. I 0 gilt: A A +1, wir erhalte da die Schlussette A 0 A A 1 A... Beispiel 1.11 (Geometrische Summe, VB Für eie beliebiege (reelle Zahl x ud N 0 setzte x 0 : 1 ud x : x...x }{{} -mal Da gilt für alle N 0 ud für alle 1 x R: x i 1 x+1 1 x i0 Beweis durch vollstädige Idutio: I1 0 : 0 i0 xi x 0 def 1 ud 1 x0+1 1 x 1 x 1 x 1 I + 1: Sei 0 gegebe ud die Formel sei wahr für. Da folgt für + 1: ( +1 x i x i + x +1 i0 also folgt die Aussage für + 1! Aahme i0 1 x +1 1 x + x+1 1 x +1 + (1 x x x+1 1 x 1 x +1 + x x+1 x x+ 1 x x+ 1 x 1 x 10 getext: Julia Wolters
8 Vorlesug WS Aalysis 1 Dr. Siegfried Echterhoff 1.1 Das Idutiosprizip wird oft auch für sogeate reursive Defiitioe geutzt, um z.b. so etwas wie x : x...x }{{} zu vermeide! mal Beispiel: Wir defiiere x 0 : 1, ud ist x bereits defiiert für 0, so defiiere wir x (x x. Beispiel: Wir defiiere 0! : 1 ud ist! für N 0 bereits defiiert, so setzte wir ( + 1! ( + 1!! Defiitio 1.13 (Biomialoeffiziet Für, N 0 setzte (!, falls!(! ud ( ( : 0, falls >. Die Zahle heiße Biomialeoffiziete. Beachte: Sid 1, so gilt ( ( 1...( + 1 ( Lemma 1.14 (Pascalsche Dreiec Für alle 1 gilt ( ( 1 ( Dies bedeutet, dass die Biomialoeffiziete im sogeate Pascalsche Dreiec ageordet werde öe: Es gilt immer: ( ( 0 1 Beweis: Ist, so liefert Eisetzte auf beide Seite: (! 1 ud ( 1 (!0! Sei also 1. Da gilt: ( 1 1 ( 1 + ( 1! ( 1!(! + ( 1!!( 1! ( ( 1!!(!!!(! 1 + ( 1! + ( ( 1!( 1! getext: Julia Wolters 11
9 Dr. Siegfried Echterhoff Aalysis 1 Vorlesug WS Satz 1.15 (Biomische Formel Für alle x, y R ud N 0 gilt: (x + y 0 ( x y Beweis durch vollstädige Idutio ach : I1 0 : (x + y 0 1 ud 0 ( 0 0 x y 0 ( 0 0 x 0 y 0 1. I Die Formel sei wahr für gegebee 0. Da folgt daraus (x + y +1 (x + y (x + y ( ( x y (x + y Aahme 0 ( ( x +1 y + x y ( ( x y +1 + x y +1 Idex i erster Summe um eie Stelle verschobe 1.14 Also gilt die Formel für ( x +1 y 0 + x [( + 1 x y + y +1 ( ( + 1 ( + 1 x +1 y ( + 1 x y +1 0 ( ] x y +1 + x y +1 + ( 0 x 0 y +1 0 ( x 0 y getext: Julia Wolters
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