В обычной жизни мы иногда спорим: высказываем свою позицию и приводим аргументы, чтобы подкрепить ее. В математической логике работает похожий принцип. В логике есть аргументы — это последовательности или списки утверждений, которые возвращают заключение. Если объяснять проще, то аргумент — это допущение, которые мы делаем, чтобы проверить высказывание. Например:
Аргумент: Допустим, что x = 2
Какое утверждение мы проверяем: x + x = 4
Какое заключение мы делаем: утверждение истинно
При этом важно, чтобы аргумент был действительным. Это значит, что он должен относиться к заключению, которое следует истинности всех остальных утверждений в рамках дискуссии.
Чтобы глубже разобраться в аргументах, мы изучим, как работают доказательства и правила вывода. Они помогают отследить логику высказываний и точно определить, истинны они или ложны.
Зачем нужны доказательства в математике?
Доказательство — это аргумент, который ведет нас от гипотез и предположений к заключениям.
При этом каждый шаг аргумента следует законам логики. В математике утверждение не принимается как действительное или правильное, если оно не сопровождается доказательством. В математике все всегда нужно доказывать — это одна из тех вещей, которые отличают ее от других предметов.
Доказывать сложно, потому что не существует процедур, которые гарантировали бы успех. Доказательства строятся по сложным схемам, и этих схем очень много.
Разбираться в этой теме мы начнем с логических доказательств. Они пишутся в столбик и отличаются более высокой степенью детализации — поэтому с них удобно начинать. В логических доказательствах каждый шаг обосновывается правилом вывода, при этом большинство правил вывода основаны на уже знакомых нам тавтологиях.
Как и большинство доказательств, логические доказательства состоят из:
-
Предпосылок — утверждений, которые можно предположить
-
Заключения — утверждения, которое нужно доказать
Чтобы доказать заключение, нужно оперировать предпосылками и использовать правила вывода до тех пор, пока мы не придем к финальному выводу.
Как составлять доказательства
Чтобы правильно составить доказательство, нужно соблюсти два правила:
-
Правило предпосылок. Предпосылку можно записать в любой момент доказательства.
-
Modus Ponens. и можно заменить любыми утверждениями, в том числе составными.
Вот простое доказательство с использованием modus ponens:
1 |
|
Предпосылка |
2 |
|
Предпосылка |
3 |
|
Modus Ponens (1, 2) |
Логические доказательства записываются в три колонки. Утверждения в них нумеруются, чтобы вы могли ссылаться на них. Номера идут в первой колонке, сами утверждения — во второй, обоснования — в третьей.
Такая стандартная запись помогает выражать свои мысли грамотно на языке математики. Так и вам будет проще разобраться в доказательствах других людей, и другие смогут понять вашу мысль.
Стандартизация есть не только в записи, но и в правилах вывода. Изучим их подробнее.
Правила вывода
Первое правило связано с порядком квантификаторов. Оно сформулировано так:
Порядок вложенных экзистенциальных или универсальных квантификаторов может быть изменен без изменения смысла высказывания
Мы уже знаем, что квантификаторы помогают определить диапазон значений переменных, для которых предикат считается истинным.
Например, в высказывании предикат — это разность меньше .
То же высказывание можно представить в виде , где и — переменные.
Остальные правила вывода обознаются так:
Modus Ponens (Правило вывода)
1 |
|
2 |
|
3 |
|
Modus Tollens (Рассуждение от противного)
¬ ¬
1 |
|
2 |
¬ |
3 |
¬ |
Hypothetical Syllogism (Силлогизм с условным утверждением)
1 |
|
2 |
|
3 |
|
Disjunctive Syllogism (Путь исключения исключением)
¬
1 |
|
2 |
¬ |
3 |
|
Addition (Дополнение)
1 |
|
2 |
|
Simplification (Упрощение)
1 |
|
2 |
|
Discrete Math Resolution (Правило дискретной математики)
¬
1 |
|
2 |
¬ |
3 |
|
Как проверять аргументы
В начале урока мы говорили, что аргументы должны быть действительными. Остановимся на этой теме подробнее и научимся определять действительные и недействительные аргументы.
Возьмем такой пример:
-
Если на дороге будет пробка, Вася опоздает на работу
-
Вася не опоздал на работу
-
Следовательно, пробки на дороге не было
Сначала мы переведем аргумент в математическую форму:
¬ ¬
1 |
|
2 |
¬ |
3 |
¬ |
Теперь проверяем аргумент по правилам вывода. Как видим, аргумент соответствует правилу Modus Tollens, которое мы рассматривали выше. Значит, мы можем с уверенностью утверждать, что заключение верно.
Перевод аргументов в символы — это отличный способ расшифровать, есть ли у нас действующее правило вывода или нет.
Как работают доказательства с квантификаторами
Выше мы разбирали правила вывода на довольно простых примерах. Поднимемся на следующий уровень сложности и попробуем применить эти же правила к универсальным и экзистенциальным квантификаторам.
-
Универсальная квантификация (все, любой, каждый)
-
Экзистенциальная квантификация (существует, некоторый, по крайней мере, один)
Правила вывода становятся невероятно полезными, когда применяются к квантифицированным утверждениям. Именно таким образом мы можем доказывать более сложные аргументы.
Обратите внимание, что при работе с универсальным и экзистенциальным обобщением можно вывести недействительные утверждения из истинных. Поэтому мы должны быть внимательны к тому, как формулируем рассуждения.
Рассмотрим правила логики для квантифицированных высказываний на таком примере:
Высказывание: Ваша киска купила бы Whiskas
1. Все кошки любят Whiskas
2. Некоторые кошки серого цвета
3. Некоторые серые существа любят Whiskas
Нам даны предпосылки, по которым мы делаем вывод «Некоторые серые существа любят Whiskas». Этот вывод истинный или ложный? Чтобы это проверить, переведем высказывание на язык математики:
1 |
|
2 |
¬ |
3 |
¬ |
Выводы
В этом уроке мы изучили правила, которые помогают проверять действительность аргументов:
-
Правило предпосылок. Предпосылку можно записать в любой момент доказательства
-
Modus Ponens. и можно заменить любыми утверждениями, в том числе составными
Чтобы доказать заключение, нужно оперировать предпосылками и использовать описанные выше правила вывода до тех пор, пока мы не придем к финальному выводу.
Язык математики изучать очень сложно. Он очень абстрактный и непохожий на другие языки, на которых мы привыкли общаться. Но в одном математический язык точно похож на естественные — его нельзя выучить без регулярной практики.
Чем больше вы будете использовать язык математики, тем быстрее вы освоите его. Тогда математика станет для вас удобным инструментом, который помогает рассуждать, оценивать высказывания и делать выводы.
Самостоятельная работа
Задача №1
По условию задачи:
¬
Докажите ¬ .
Нажмите, чтобы увидеть ответ
-
предпосылка+
-
разложение конъюнкции (1)+
-
разложение конъюнкции (1)+
-
¬ предпосылка+
-
¬ Modus Ponens (Правило вывода) (3,4)+
-
¬ ¬ DeMorgan (5)+
-
¬ Disjunctive Syllogism (Путь исключения исключением) (3,6)+
-
предпосылка+
-
¬ Modus Tollens (Рассуждение от противного) (7,8)+
Задача №2
По условию задачи:
¬
¬
¬
Докажите .
Нажмите, чтобы увидеть ответ
-
¬ предпосылка+
-
¬ предпосылка+
-
Modus Tollens (Рассуждение от противного) (1,2)+
-
¬ предпосылка+
-
Disjunctive Syllogism (Путь исключения исключением) (3,4)+
Остались вопросы? Задайте их в разделе «Обсуждение»
Вам ответят команда поддержки Хекслета или другие студенты
Для полного доступа к курсу нужен базовый план
Базовый план откроет полный доступ ко всем курсам, упражнениям и урокам Хекслета, проектам и пожизненный доступ к теории пройденных уроков. Подписку можно отменить в любой момент.
