Í ljósi þess að ég við erum farin að sjá æ fleiri greinar tengdar stærðfræði, eða rökfræði, þá datt mér í hug að e-r gæti haft áhuga á að fræðast frekar um sannanir.
Ég læt hér fylgja nokkra kafla úr rökfræðikveri nokkru, (sem ég mæli með til fyrstu kynningar á rökfræði), nánar tiltekið: RÖKFRÆÐI Leiðarvísir um frumatriði rökfræðinnar; e. Guðmund Arnlaugsson; bls 40-46.
Áherslan, í þessari bók, er á rökfræði sem notuð er í stærðfræði.
Varðandi særðfræðiáhuga hér á huga, og skrif þar að lútandi, þykir mér fara best á því að birta þau helst hér, innan veggja heimspeki áhugamálsins. Þar sem stærðfræði flokkast til hugvísinda, en ekki til raunvísinda, þó annað geti virst í fyrstu.
Ég afsaka mögulegar villur af minni hendi, í textanum. En ég bendi einnig á að ég þurfti að aðlaga sumt, ss tákn sem ég kann ekki að setja hingað inn, þá sérstaklega kvantara (skammtara), nánar tiltekið kvantarann “stórt ”A“ á hvolfi”, sem táknar í raun “fyrir öll … gildir að”; einnig eru veldi alltaf til vandræða. Einnig prufaði ég að nota html-kóða, þe bold og italic. Ég vona að það skili sér.
Ég vil kvetja þá til dáða, sem hafa hingað til riðið á vaðið í þessum efnisflokki, sem og sporgöngumenn.
Jæja hér er textinn:
————————————————— —————-
<b>15. SÖNNUN</b>
Hugtakið sönnun eigum við Forn-Grikkjum að þakka. Eldri menningarþjóðir, einkum Egyptar og Babýloníumenn, höfðu safnað mikilli stærðfræðiþekkingu snemma á öldum, en þar örlar hvergi á sönnun. Í ritum frá þessum þjóðum sést hvergi rökstuðningur, reglur eru settar fram umbúðalaust og engin grein gerð fyrir hvernig þær eru til komnar. Þar virðist stærðfræðin aðeins hafa verið stoðgrein við verklegar athafnir. En Grikkir leituðu eilífra sanninda, fyrir þeim voru hugmyndirnar að baki veruleikanum jafnvel raunverulegri en hann sjálfur. Þeir settu stærðfræðina því hátt, við hlið heimspekinnar eða sem eina grein hennar. Fyrir þeim var rökleiðslan einhver æðsta íþrótt mannshugans.
Allar sannanir í stærðfræði eru gerðar samkvæmt reglum rökfræðinnar. Ítrustu kröfum rökfræðinnar um sundurgreiningu og vísun til frumreglna á hverju þrepi rökleiðslunnar er að vísu fullnægt. Sannanir verða langar og þreytandi þegar hvert smáatriði rökleiðslunnar er tínt fram, venjulega er leiðin stytt með því að slá þrepum saman, stundum mörgum í senn, enda kemur það sjaldan að sök, flestum er sú rökvísi í blóð borin að þeir “lesa í málið” nærri ósjálfrátt.
En stundum er nákvæm sundurgreining nytsamleg til þess að gera sér ljósara en áður eðli rökleiðslunnar. Þótt þú hafi [sic] ekki lesið annað um rökfræði en þetta litla kver, er þér (vonandi) síður en áður hætt við að falla í sumar gjótur rökfræðinnar, eins og til að mynda þá að gera ekki greinarmun á leiðingu og umhverfu hennar. Þú gerir þér (vonandi) ljóst að hér er um tvennt að ræða og annað getur verið rétt þótt hitt sé rangt. Sundurgreiningin getur líka verið nauðsynleg ef kryfja þarf til mergjar rökfærslur sem í fljótu bragði sýnast réttar, en virðast þó vafasamar í raun.
Í næstu köflum verður nánar vikið að nokkrum helstu gerðum sannana í stærðfræði.
Flestum setningum stærðfræðinnar er unnt að koma á formið p => q , eða með öðrum orðum: ef fullyrðingin p er sönn, þá er fullyrðingin q líka sönn.
Í grófum dráttum má skipta sönnunum í fjóra flokka:
<b>1) Bein sönnun:</b> Gert er ráð fyrir að p sé sönn og sú ályktun dregin með beinni rökleiðslu, að þá sé q einnig sönn.
<b>2) Óbein sönnun:</b> Gert er ráð fyrir að p sé sönn. Síðan er gert ráð fyrir að q sé ósönn. Leiði það til mótsagnar, hlýtur q að vera sönn.
<b>3) Andumhverfan sönnuð með beinni sönnun:</b> Gert er ráð fyrir að q sé ekki sönn (ekki q) og bein rökleiðsla notuð til að sanna, að þá sé p heldur ekki sönn (ekki p). Með öðrum orðum “ekki”q => “ekki”p , en það jafngildir p => q , eins og fyrr hefur verið rakið.
<b>4) Þrepasönnun.</b> Henni verður lýst hér nokkru síðar.
<b>16. BEIN SÖNNUN</b>
Stærðfræðileg sönnun er rökfræðileg athöfn. Oft er sú regla er sanna skal leidd út frá öðrum reglum eða staðreyndum sem áður eru kunnar eða sannaðar og er þá kallað að sönnunin sé bein. Við þá útleiðslu er reglum rökfræðinnar fylgt stranglega. Sannanir eru misflóknar, stundum þarf að stíga mörg rökfræðileg skref til að komast á leiðarenda, stundum ekki nema fá. Í 14. kafla voru sýnd nokkur dæmi um fullyrðingar sem virtust einfaldar, en reyndist afar erfitt eða alveg ókleyft að sanna, og eitt dæmi um reglu sem auðvelt var að sanna beinni sönnun, regluna um að sérhverja prímtölu sé unnt að skrifa sem mismun tveggja ferninga og það aðeins á einn veg.
Stundum er hægt að sanna eitthvað, sem virðist verulega flókið, á einfaldari hátt en menn hafði órað fyrir og verður sönnunin þá minnisstæð - og falleg að dómi stærðfræðinga. Dæmi um þetta er sönnun þess að til séu óendanlega margar prímtölur. Hún birtist fyrst í <i>Frumþáttum</i> Evklíðs (um 300 f.Kr.), enda oft við hann kennd. Evklíð var grískur stærðfræðingur, er ritaði einhverja kunnustu stærðfræðibók allra alda, á latínu heitir hún <i>Elementa</i>, á íslensku hefur hún verið kölluð <i>Frumþættir</i> eða <i>Undirstöður</i>. Hér verður þessi sönnun nú rakin, án þess að vísað sé til rökfræðinnar við hvert spor.
Prímtala er, eins og áður segir, náttúruleg tala sem engin náttúruleg tala gengur upp í nema 1 einn og talan sjálf. Aðrar tölur eru kallaðar samsettar. Menn hafa komið sér saman um að telja 1 ekki til prímtalna, talan 1 hefur sérstöðu, hún er hvorki prímtala né samsett. Talan 2 hefur einning nokkra sérstöðu: hún er eina slétta prímtalan.
Prímtölurnar skipa sér afar óreglulega í röð heilu talnanna, en þær verða þó strjálli eftir því sem aftar dregur. Á bilinu frá 1 til 10 eru fjórar prímtölur: 2, 3, 5 og 7; á bilinu frá 91 til 100 sem er jafn langt er aðeins ein: 97. Með því að fara nógu langt aftur í talnaröðina er hægt að finna eins löng bil og vera skal: milljón tölur, milljón milljón tölur o.s.frv., þar sem ekki kemur fyrir ein einasta prímtala. Um prímtölurnar kemur því tvennt til greina: Annaðhvort kemur að því að lokum (þegar komið er óskaplega langt aftur í talnaröðina), að þar fyrir aftan sé engin prímtala (þaðan í frá séu allar tölur samsettar) - eða að prímtölur haldi áfram að koma fyrir, hversu langt sem farið er aftur í röðina, þær verði aðeins sjaldgæfari. Í fyrra tilvikinu væru prímtölurnar að vísu óskaplega margar, en fjöldi þeirra þó endanleg tala. Í síðara tilvikinu væru þær óendanlega margar. Ekki virðist hlaupið að því að skera úr um hvort sé réttara, en það gerir Evklíð á snjallan og einfaldan hátt.
Evklíð ályktar á þessa leið: Ef ég get sýnt fram á, að hversu stóran endanlegan hóp af prímtölum sem menn hugsa sér, þá sé ávallt til að minnsta kosti ein prímtala sem ekki er í hópnum, hljóta prímtölurnar að vera óendanlega margar.
Nú hugsa ég mér allar prímtölur frá 2 upp í einhverja (stóra) prímtölu p. Ég bý mér til nýja tölu q með því að margfalda allar þessar tölur og bæta einum við:
q = 2 * 3 * 5 * … * p + 1
Hver talnanna 2, 3, 5, 7, … p sem er gengur upp í margfeldinu, og því verður afgangurinn 1 þegar þeim er deilt í q. Með öðrum orðum: Engin talnanna 2 eða 3 eða 5 … eða p gengur því upp í q. Nú er q annaðhvort prímtala eða samsett. Ef hún er samsett eru í henni einhverjir prímþættir, en það geta ekki verið neinar af tölunum 2, 3, 5, … p, því að engin þeirra gengur upp í q.
Hvort sem q er prímtala eða samsett, hefur því verið sýnt fram á að til er að minnsta kosti ein prímtala utan hópsins 2, 3, 5, … p (og hún er stærri en p). Þetta gildir, hversu stór sem p er valin: Fjöldi prímtalna hlýtur því að vera óendanlegur.
<b>17. ÓBEIN SÖNNUN</b>
Annað form sönnunar er svonefnd óbein sönnun. Í grófum dráttum má lýsa þeirri aðferð á þessa leið:
<i>Setningin sem ég ætla að sanna hlýtur að vera annaðhvort sönn eða ósönn. Ég hugsa mér í bili að hún sé ósönn og reyni að draga af því ályktanir. Setjum svo að þessar ályktanir leiði til mótsagnar - eitthvað komi fram sem fær ekki staðist. Þá er ekki nema um tvennt að ræða: Annaðhvort hefur mér orðið á í rökleiðslunni eða forsendan er ósönn. Sé hægt að treysta því að rökleiðslan sé rétt, hlýtur forsendan að vera ósönn. Nú var forsendan sú, að setningin sem sanna átti sé ósönn. Sé það rangt, hlýtur setningin að vera sönn. Þar með er sönnuninni lokið.</i>
Tökum eina setningu úr rúmfræði sem dæmi um sönnun af þessu tagi:
R: Tvær beinar línur geta ekki skorist nema í einum punkti.
Til þess geta sannað þessa setningu þurfum við að þekkja hugtökin lína og punktur og eina frumreglu um samband þeirra, við skulum kalla hana P.
P: Gegnum tvo punkta er hægt að draga eina og aðeins eina beina línu.
Hugsum okkur nú að setning R sé ósönn. Þá eru til tvær beinar línur, sem skerast í að minnsta kosti tveimur punktum. Köllum línurnar l og m, skurðpunktana A og B. Þá blasir við augum, að þetta brýtur í bága við regluna P. Gegnum punktana A og B liggja tvær beinar línur l og m. Þarna er mótsögnin komin: við göngum út frá reglunni P og fáum niðurstöðu, sem brýtur í bága við hana. Sú tilgáta, að R sé ósönn, leiðir til mótsagnar, R hlýtur því að vera sönn.
[...(Hér koma æfingar sem ég sleppi.)...]
Frægt dæmi um óbeina sönnun í stærðfræði er sönnun þess að til séu óræðar tölur. Þessi sönnun er að minnsta kosti tuttugu alda gömul og er oft kennd við Evklíð. Evklíð sýndi fram á, að sé dreginn ferningur, þannig að hliðar hans séu ein lengdareining hver, þá er lengd hornlínunnar í þessum ferningi ekki ræð tala. Sé lengd hornalínunnar kölluð x, leiðir af reglu Pýþagórasar að x^2 = 1^2 + 1^2 = 2 . Það sem Evklíð sannar, er því að engin ræð tala hafi þann eiginleika að verða að 2, þegar hún er hafin í annað veldi.
Við skulum nú virða þessa sönnun fyrir okkur og nefna þá forsendur hennar fyrst:
1) Ræðar tölur eru þær tölur, sem í daglegu tali eru kallaðar heilar tölur og brot, m.ö.o. mengi allra talna af gerðinni m/n, þar sem m og n eru heilar tölur og n er ekki núll.
2) Sérhvert brot er hægt að fullstytta: Stytta það þangað til enginn þáttur er sameiginlegur í teljara og nefnara. 24/54 má stytta í 4/9 og er það þá fullstytt, brotið pm/pn (p “ekki jafnt og” 0) má stytta í m/n.
Í fullstyttu broti geta teljari og nefnari ekki báðir verið sléttar tölur, því að þá væri hægt að stytta með 2.
3) Brot er hvafið í annað veldi með því að hefja teljara og nefnara hvorn um sig í annað veldi: (m/n)^2 = m^2 / n^2 .
Og nú er komið að sönnuninni sjálfri.
Reglan hljóðar svo: Engin ræð tala verður að 2, þegar hún er hafin í annað veldi.
1° Fullyrðingunni er neitað: Til er ræð tala m/n, þannig að (m/n)^2 = 2.
2° Jafnan (m/n)^2 = 2 jafngildir m^2 = 2n^2.
3° 2n^2 ber það með sér að hún er slétt tala, m^2 er sama talan, m^2 er því slétt tala.
4° m^2 getur því aðeins verið slétt tala, að m sjálf sé slétt tala. En sé m slétt tala, má rita hana svo: m = 2p, þar sem p er heil tala.
5° Þetta er sett inn í síðari jöfnuna í 2°: (2p)^2 = 2n^2, 4p^2 = 2n^2.
6° Úr 5° fæst n^2 = 2p^2, en það sýnir að n^2 og þar með n eru sléttar tölur (sbr. 3° og 4°).
7° Nú er mótsögnin komin fram: Gert var ráð fyrir því, að brotið m/n væri fullstytt, en við höfum rakið okkur fram til þess, að bæði m og n séu sléttar tölur. Af þessari mótsögn leiðir, að hafna verður þeirri forsendu, að til sé brot, sem hafið í annað veldi verði 2.
<b>18. ANDUMHVERFA SÖNNUÐ Í STAÐ LEIÐINGAR</b>
Í 9. kafla (bls. 22) var sannað að andumhverfa leiðingar er jafngild leiðingunni sjálfri. Eigi að sanna leiðingu er því hægt að sanna andumhverfu hennar í staðinn. Þetta getur stundum verið hagkvæmt.
Eins og lesendur muna er andumhverfa mynduð úr leiðingu með því að setja neitun yrðingar í stað hennar og skipta jafnframt um forlið og leiðilið.
Hér verður sýnt lítið dæmi um notkun þessarar aðferðar.
Sanna skal, að gangi 3 ekki upp í náttúrulegri tölu, gerir 6 það heldur ekki.
Á táknmáli er þessi yrðing rituð þannig [(Sum táknin hef ég orðað, þar sem þau eru ekki möguleg á þessum vef.)]:
Fyrir öll x gildir að það er stak í mengi náttúrulegra talna: (3 ganga ekki upp í x) => (6 ganga ekki upp í x)
Sönnun:
Yrðingum er neitað og skipt um forlið og leiðilið. Þá kemur fram andhverfan:
Fyrir öll x gildir að það er stak í mengi náttúrulegra talna: (6 ganga upp í x) => (3 ganga upp í x)
Þessa yrðingu er auðvelt að sanna. Ef 6 ganga upp í x er hægt að rita x sem margfeldi af 6: x = 6p. Þetta má rita svo: x = 3(2p), sem sýnir að x er margfeldi af 3, eins og sanna átti.
<b>19. ÞREPASÖNNUN</b>
Í dæmi 90 á bls. 35 átti að afsanna þá fullyrðingu, að
N = n^2 + n + 41
sé prímtala, hvaða heil tala sem n er.
Ef n = 0 er N = 41; ef n = 1 er N = 43; ef n = 2 er N = 47; ef n = 3 er N = 53. Öll þessi gildi á N eru prímtölur og reglan heldur áfram að gefa tómar prímtölur allt upp að n = 40. En þar bregst hún:
N = 40^2 + 40 + 41 = 40(40 + 1) + 41 = 41^2
sem er ekki prímtala.
Þetta dæmi sýnir, að þótt einhver regla gildi í fjölda tilvika er engan veginn víst að hún gildi ávallt. Manni finnst að vísu þeim mun líklegra að hún gildi alltaf, sem maður finnur fleiri tilvik þar sem hún gildir, en vissu hefur maður ekki fyrr en sönnun er fundin.
Til er fjórða tegund sönnunar sem oft er hægt að beita þar sem fjallað er um náttúrulegar tölur, þótt þær séu óendanlega margar. Sú sönnun er kölluð sönnun með þrepun eða þrepasönnun. Hugmyndin í þrepasönnun er eitthvað á þessa leið:
<i>Sanna skal að einhver regla gildi um öll x, þar sem x er náttúruleg tala. Þá er fyrst athugað hvort hún gildi þegar x = 1. Sé það rétt, er athugað hvort reglan gildi um x = n + 1 að því tilskildu að hún gildi um x = n. Sé það líka rétt gildir reglan um allar jákvæðar heilar tölur. Þarna eru náttúrlegu</i> [sic] <i>tölurnar hugsaðar sem þrep í stiga, 1 er neðsta þrepið, 2 er annað þrep o.s.frv. Fyrst er athugað (a) hvort reglan gildir á neðsta þrepi, síðan er sannað (b) að reglan gildi á einu þrepi, þá gildir hún á næsta þrepi fyrir ofan. Með (a) kemst maður inn á neðsta þrep, með (b) kemst maður þaðan á annað þrep, og síðan á það þriðja og þannig áfram koll af kolli án enda.</i>
Þetta virðist flestum sjálfsagt augljóst, á svipaðan hátt og Evklíð mun hafa talið frumsendur sínar augljós sannindi. En í raun er hér um að ræða frumsendu sem gengi er út frá. Hana setti ítalskur stærðfræðingur, G. Peano (1858-1936), fram fyrstur manna:
Ef M er eitthvert mengi náttúrulegra talan [sic] og um M gildir:
1) 1 er stak í M
2) n er stak í M => (n + 1) er stak í M
Þá er M mengi allra náttúrulegra talna.
Lítum á eitt dæmi um sönnun með þrepun.
Sanna skal að 3 gangi ávallt upp í (x^3 + 11x), þar sem x er náttúruleg tala.
Á táknmáli lítur reglan þannig út [(Sum táknin hef ég orðað, þar sem þau eru ekki möguleg á þessum vef.)]:
Fyrir öll x gildir að það er stak í mengi náttúrulegra talna: 3 ganga upp í (x^3 + 11x)
Sönnun:
(a) Reglan gildir um x = 1, því að (1^3 + 11 * 1) = 12 = 3 * 4
(b) Ég hugsa mér að reglan gildi um x = n: að til sé heil tala p
þannig að n^3 + 11n = 3p. Síðan athuga ég x = n + 1:
((n + 1)^3 + 11(n + 1)) = n^3 + 3n^2 + 3n + 1 + 11n + 11 =
(n^3 + 11n) + (3n^2 + 3n + 12) =
3p + 3(n^2 + n + 4) =
3(p + n^2 + n + 4) sem er greinilega margfeldi af 3.
Þar með er sýnt að reglan gildir um x = n + 1 ef hún gildir um x = n og samkvæmt því sem áður var sagt gildir hún þá um öll heil og jákvæð gildi á x."
————————————————— —————-
Kv.
VeryMuch