Logga in
| 5 sidor teori |
| 11 Uppgifter - Nivå 1 - 3 |
| Varje lektion är menad motsvara 1-2 lektioner i klassrummet. |
Inom matematiken är logik läran om hur man drar korrekta slutsatser givet vissa premisser. Matematiska bevis är typexempel på hur logik tillämpas — här är varje steg tydligt och välmotiverat, bl.a. genom användning av korrekta definitioner och påståenden. Dessa kan vara axiom, dvs. grundläggande matematiska sanningar, eller bevisade satser. För att föra resonemang på ett kompakt sätt används logiksymboler.
Symbol | Innebörd | Exempel |
---|---|---|
⇒ | Implikation | P1: Figuren är en kvadrat P2: Figuren är en fyrhörning P1 ⇒ P2 |
⇔ | Ekvivalens | P1: Figuren är en kvadrat P3: Figuren har fyra rätvinkliga hörn och lika långa sidor P1 ⇔ P3 |
¬ | Negation | P1: Figuren är en kvadrat ¬P1: Figuren är inte en kvadrat |
⊥ | Motsägelse | P4: Figuren har 4 hörn P5: Figuren är en triangel (P4 och P5) ⇒⊥ |
Masumi och Povilas ska ha ett bevis-battle, och Masumi har bestämt sig för att visa att 1 är lika med 2. Povilas blir inte särskilt imponerad och kontrar med att han kan visa att a2 är ett jämnt tal om a är ett jämnt tal. Här är deras bevis.
Har de gjort rätt?
Så här långt är alltså det matematiska resonemanget korrekt. Från rad 4 till rad 5 händer dock något ogiltigt: Masumi dividerar båda led med (a−b). Detta kanske inte verkar konstigt vid första anblick men eftersom a och b är samma tal dividerar Masumi med 0 när hon dividerar med (a−b). Nolldivision är inte tillåtet så detta steg är inte giltigt!
Stegen som kommer efteråt är rätt men det spelar ingen roll: Om ett steg i beviset är fel är hela beviset fel. Vi kan alltså konstatera att Masumis bevis inte stämmer.
Detta kallas för ett direkt bevis. Ibland kan det dock vara enklare att gå åt det motsatta hållet och använda ett så kallat indirekt bevis. Då visar man istället implikationen ¬Q ⇒¬P, alltså att
För exemplet ovan visar man då att om produkten a⋅b är jämn måste minst ett av talen a och b vara jämnt. Detta är ekvivalent med ett direkt bevis och visar alltså precis samma sak.
Sedan visar man att detta leder till en motsägelse, t.ex. att 1=2 eller att jämna tal både är och inte är delbara med 2. Så länge resonemanget som leder fram till motsägelsen är korrekt kan man dra slutsatsen att ¬R är falskt, vilket betyder att det ursprungliga påståendet R måste vara sant. För implikationer på formen P⇒Q, kan motsatsen
Tula säger att ett heltal är jämnt om dess kvadrat är jämn. Visa detta med ett indirekt bevis.
VL2=HL2
Utveckla med första kvadreringsregeln
Förenkla potens & produkt
(ab)c=acbc
Bevis | Strategi | Tillämpning |
---|---|---|
Direkt | P⇒Q | Anta att a och b är udda och visa att a⋅b är udda |
Indirekt | ¬Q⇒¬P | Anta att produkten a⋅b är jämn och visa att minst en av a och b måste vara jämn |
Motsägelse | P och ¬Q ⇒⊥ | Anta att a och b är udda samt att produkten a⋅b är jämn och visa att detta leder till en motsägelse |
Yttervinkelsatsen säger att en yttervinkel till en triangel är lika stor som summan av de två inre motstående vinklarna.
Vi försöker bevisa satsen med faktumet att vinkelsumman i en triangel är 180^(∘). Vi har redan namn för två av triangelns innervinklar, u och v. Den tredje är sidovinkel till w. Det betyder att den är 180^(∘)-w.
Summan av alla innervinklar ska bli 180^(∘). Vi ställer upp det sambandet och löser ut w.
Vinkeln w är alltså lika med summan av u och v.
Avgör vilket av alternativen som är motsatsen till påståendet.
Summan av heltalen a och b är ett jämnt tal.
Det regnar.
Av de tre talen a, b och c är minst ett av dem delbart med 17.
Påståendet n ≤ 5 betyder att n antingen är mindre än eller lika med 5. Motsatsen till detta är att n är något tal större än 5, eftersom det innefattar alla tal utom de som är mindre än eller lika med 5. Det skriver vi som n > 5.
Motsatsen till att ett tal är jämnt är att det är udda. Alltså är motsatsen till det här påståendet att
summan av heltalen a och b är ett udda tal.
I frågeställningen i deluppgift B är det meningen att man skall anta att a och b även i motsatsen skall vara heltal, att en summa skall beräknas och att summan är ett heltal. Om man läser uppgiften noga kan man tolka den på ett annat vis. Meningen vars motsats man skall hitta motsatsen till, "Summan av heltalen a och b är ett jämnt tal", kan delas in i tre separata utsagor:
Vilken är motsatsen till det första av dessa tre påståenden? Är det att differensen av talen som skall beräknas? Eller kanske att vilken räkneoperation som helst skall beräknas? De övriga två är enklare att hitta motsatsen till. Att sedan hitta motsatsen till en tredelad utsaga kan bli mycket komplicerat. Slutsatsen är att i matematiken är det viktigt att vara tydlig.
Motsatsen till att det regnar är att det inte regnar. Motsatsen till påståendet är alltså det regnar inte.
Att det är minst ett av talen som är delbara med 17 innebär att det antingen är ett, två eller tre av dem som är det. Motsatsen till detta är då att
inget av talen a, b och c är delbara med 17.
Kan man visa att summan av två jämna tal är jämn
Eftersom alla jämna tal är delbara med 2 kan de skrivas på formen 2n, där n är ett heltal. Vi låter a och b vara två jämna tal. Det betyder att de kan skrivas &a=2n och &b=2k, där n och k är två godtyckliga heltal. Vi ska nu visa att detta leder till att summan a+b är ett jämnt tal.
Summan kan alltså skrivas som 2(n+k). Eftersom både n och k är heltal är även summan av dem ett heltal — vi kan kalla det m. Det betyder att summan kan skrivas som
2(n+k)=2m.
Eftersom m är ett heltal är 2m ett jämnt tal. Summan a+b är alltså jämn.
För att göra ett motsägelsebevis antar vi att motsatsen till påståendet är sant, dvs. vi antar att summan av två jämna tal är udda. På samma sätt som i föregående deluppgift låter vi a och b vara två jämna tal, dvs. de kan skrivas &a=2n och &b=2k, där n och k är heltal. Nu antar vi att summan av dem är udda. Det betyder att den kan skrivas a+b=2m+1, där m är ett heltal. Vi sätter in a=2n och b=2k och ser vad vi får.
Uttrycket n+k-m består enbart av heltal. När man adderar och subtraherar heltal får man ett nytt heltal. Vi kan kalla det t. Då får vi
2t=1 ⇔ t=0.5.
Heltalet t är alltså lika med 0.5? Nej, 0.5 är inget heltal. Ett tal kan inte vara både ett heltal och ett icke-heltal samtidigt. Antagandet att a+b är udda måste därför vara falskt. Summan är därför jämn.
Vi börjar genom att fundera kring hur ¬ P samt ¬ Q kan formuleras i ord. Tecknet ¬ betyder här att både P och Q ska negeras. Eftersom P står för "Pelle duschar" får vi att ¬ P är motsatsen, alltså: ¬ P: Pelle duschar inte. Samma sak gäller för Q, som står för "Pelle har duschmössa på sig." När det negeras får vi ¬ Q: Pelle har inte duschmössa på sig. För att formulera implikationen ¬ Q ⇒ ¬ P i ord sätter vi ihop det vi kommit fram till. Vid formuleringen gör vi små ändringar av ¬ P och ¬ Q så det funkar grammatiskt.
Vi delar in lösningen i tre delar. Den första är att formulera satsen med logiska symboler. Den andra är att formulera ett ekvivalent påstående för det indirekta beviset. Därefter utför vi beviset.
En bra början är att namnge sina tal — vi väljer a och b. Detta är reella och positiva tal. Första delen av satsen säger att kvoten av dessa två tal är mindre än 1. Det är en division, dvs. ab, och denna ska vara mindre än 1. Till det använder vi olikhetstecknet <. Kvoten av $a$ och $b$ är mindre än $1$ ⇔ a/b<1 Den andra delen av satsen säger att detta leder till att nämnaren är större än täljaren. I vår kvot är a täljare och b är nämnare, så b ska vara större än a. Nämnaren är större än täljaren ⇔ b>a Nu sätter vi en implikationspil mellan första och andra delen: a/b<1 ⇒ b>a. När man formulerar en sats är det även viktigt att man är tydlig med för vilka villkor den gäller. I detta fall gäller den om talen a och b är positiva och reella, och man kan skriva detta före eller efter implikationen. Vi skriver den efter vilket ger oss ab<1 ⇒ b>a, för reella och positiva $a$ och $b.$
För att göra ett indirekt bevis måste vi ställa upp ett ekvivalent påstående. Vi negerar båda delar och byta plats på dem i implikationen. Vi börjar med första delen dvs. vi ska bestämma ¬ ( ab<1). Om kvoten inte är mindre än 1 måste den vara större än eller lika med 1. ¬ ( ab<1) ⇔ ab≥ 1 Den andra delen säger att b>a. Motsatsen till det är att b är mindre än eller lika med a. ¬ (b>a) ⇔ b≤ a Nu kan vi ställa upp påståendet genom att använda negationerna samt byta plats på dem i implikationen. Glöm inte att lägga till villkoren för a och b. b≤ a ⇒ ab≥ 1, för reella och positiva $a$ och $b$
Vi bevisar nu satsen med ett indirekt bevis, och utgår från påståendet vi precis härledde. b≤ a ⇒ ab≥ 1, för reella och positiva $a$ och $b.$ Vi ska alltså utgå från att b är mindre än eller lika med a och, utifrån det, visa att det leder till att kvoten ab är mindre än eller lika med 1. Man utgår alltså från olikheten b≤ a. Nu kan vi dividera båda led med b. När man dividerar båda led i en olikhet måste man ha koll på vad som händer med olikhetstecknet. Om det talet man dividerar med är negativt måste man vända på olikheten, annars påverkas den inte. Vi delar med b som, enligt definition, är positivt. Det betyder att vi inte av misstag råkar dela med 0 heller så det är fritt fram: b≤ a ⇔ b/b≤ a/b eftersom $b>0.$ Ett tal som delas med sig självt är 1 för alla tal utom 0. Vi har redan konstaterat att b är nollskilt så vi skriver om bb till 1 samt skriver olikheten åt andra hållet: b/b≤ a/b ⇔ a/b≥ 1. Om b är mindre än eller lika med a blir alltså kvoten ab≥ 1. Detta är helt ekvivalent satsen i uppgiftsformuleringen, alltså gäller även den.