Jeroen's Studie Archief
Bewijzen in de wiskunde 9 september 2024

Logica

Beweringen

Een bewering is een zin die waar (TT) is of niet waar (FF) is, maar niet allebei. Beweringen worden vaak opgeschreven met P,Q,R,P1,P2,...,PnP, Q, R, P_1, P_2, ..., P_n. Voorbeelden van beweringen zijn:

  • Het getal 33 is oneven (TT)
  • Het getal 5757 is priem (FF)

Een open bewering P(x)P(x) over een domein SS is een bewering voor iedere xx in SS.

Voorbeeld

Gegeven is de bewering P(x):(x3)21P(x): (x-3)^2 \leq 1 over S=ZS=\Z.

Dan geldt bijvoorbeeld P(2)P(2) is waar, P(3)P(3) is waar, P(4)P(4) is waar, maar P(5)P(5) is niet waar.

Waarheidstabellen

Een waarheidstabel is een tabel met alle mogelijke waar/niet waar-waardes voor de beweringen. Een waarheidstabel voor nn beweringen heeft 2n2^n rijen.

Voorbeeld

Voor beweringen PP en QQ ziet de waarheidstabel er als volgt uit:

PP QQ
TT TT
TT FF
FF TT
FF FF

Samengestelde beweringen

Beweringen kun je samenvoegen tot een nieuwe bewering.

Negatie ("niet")

De negatie van een bewering PP is een nieuwe bewering, notatie ¬P\lnot P ("niet-PP"). De bewering ¬P\lnot P is alleen waar als de bewering PP niet waar is.

De waarheidstabel ziet er dan zo uit:

PP ¬P\lnot P
TT FF
FF TT

Disjunctie ("of")

De disjunctie van beweringen PP en QQ is een nieuwe bewering, notatie PQP \lor Q ("PP of QQ"). De bewering PQP \lor Q is waar wanneer minstens één van PP en QQ waar is.

De waarheidstabel ziet er dan zo uit:

PP QQ PQP \lor Q
TT TT TT
TT FF TT
FF TT TT
FF FF FF

Conjunctie ("en")

De conjunctie van beweringen PP en QQ is een nieuwe bewering, notatie PQP \land Q ("PP en QQ"). De bewering PQP \land Q is waar wanneer zowel PP als QQ waar is.

De waarheidstabel ziet er dan zo uit:

PP QQ PQP \land Q
TT TT TT
TT FF FF
FF TT FF
FF FF FF

Implicatie ("als, dan")

De implicatie van beweringen PP en QQ is een nieuwe bewering, notatie P    QP \implies Q ("als PP, dan QQ"). De bewering P    QP \implies Q is waar wanneer zowel PP als QQ waar is, of PP niet waar is.

In de implicatie P    QP \implies Q heet PP de voowaarde en QQ de conclusie. De implicatie Q    PQ \implies P is de omkering van P    QP \implies Q.

De waarheidstabel ziet er dan zo uit:

PP QQ P    QP \implies Q
TT TT TT
TT FF FF
FF TT TT
FF FF TT

Voorbeeld

Gegeven zijn de beweringen P(x):x=3P(x): x = -3 en Q(x):x=3Q(x): |x| = 3 over S=ZS=\Z.

Nu zijn Q(3)    P(3)Q(-3) \implies P(-3) en Q(2)    P(2)Q(2) \implies P(2) waar, maar Q(3)    P(3)Q(3) \implies P(3) is niet waar.

Verder geldt voor iedere xx dat P(x)    Q(x)P(x) \implies Q(x) waar is.

Bi-implicatie

Voor beweringen PP en QQ heet de conjunctie (P    Q)(Q    P)(P \implies Q) \land (Q \implies P) de bi-implicatie, notatie P    QP \iff Q. Deze bi-implicatie is alleen waar als PP en QQ allebei waar of allebei niet waar zijn.

De waarheidstabel ziet er dan zo uit:

PP QQ P    QP \iff Q
TT TT TT
TT FF FF
FF TT FF
FF FF TT

Tautologie en tegenspraak

Een tautologie is een bewering die altijd waar is.

Voorbeeld

De bewering P¬PP \lor \lnot P is een tautologie, wat volgt uit de waarheidstabel:

PP ¬P\lnot P P¬PP \lor \lnot P
TT FF TT
FF TT TT

Een tegenspraak is een bewering die nooit waar is.

Voorbeeld

De bewering P¬PP \land \lnot P is een tegenspraak, wat volgt uit de waarheidstabel:

PP ¬P\lnot P P¬PP \land \lnot P
TT FF FF
FF TT FF

Er geldt: als PP een tautologie is, dan is ¬P\lnot P een tegenspraak.

Logische equivalentie

Samengestelde beweringen PP en QQ zijn logisch equivalent als ze precies dezelfde waarheidstabellen hebben. We noteren dat als PQP \equiv Q.

Er geldt: PP en QQ zijn logisch equivalent dan en slechts dan als P    QP \iff Q een tautologie is.

Eigenschappen van samengestelde beweringen

Met deze definitie van logische equivalentie kunnen we een paar eigenschappen opschrijven over beweringen PP, QQ en RR:

  • PQQP P \lor Q \equiv Q \lor P en PQQPP \land Q \equiv Q \land P
  • P(QR)(PQ)R P \lor (Q \lor R) \equiv (P \lor Q) \lor R en P(QR)(PQ)R P \land (Q \land R) \equiv (P \land Q) \land R
  • P(QR)(PQ)(PR) P \lor (Q \land R) \equiv (P \lor Q) \land (P \lor R) en P(QR)(PQ)(PR) P \land (Q \lor R) \equiv (P \land Q) \lor (P \land R)
  • ¬(PQ)¬P¬Q \lnot (P \lor Q) \equiv \lnot P \land \lnot Q en ¬(PQ)¬P¬Q \lnot (P \land Q) \equiv \lnot P \lor \lnot Q

Al deze eigenschappen kunnen bewezen worden met waarheidstabellen.

Quantoren

Een quantor maakt van een open bewering een gesloten bewering.

Universele quantor

De universele quantor, notatie \forall, betekent dat iets waar is voor ieder element uit het domein. Zo betekent xS:P(x)\forall x \in S : P(x) dat voor iedere xx uit SS, P(x)P(x) waar is.

Voorbeeld

Gegeven is de open bewering P(x):x2>0P(x): x^2 > 0. Nu geldt dat de bewering x{1,2,3,...}:P(x)\forall x \in \{1,2,3,...\}:P(x) waar is. Maar de bewering x{0,1,2,3,...}:P(x)\forall x \in \{0, 1, 2, 3, ...\}:P(x) is niet waar, omdat deze niet waar is voor x=0x=0.

Existentiële quantor

De existentiële quantor, notatie \exists, betekent dat iets waar is voor minimaal één element uit het domein. Zo betekent xS:P(x)\exists x \in S : P(x) dat er minstens één element xx bestaat in SS, zodat P(x)P(x) waar is.

Voorbeeld

Gegeven is de open bewering P(x):x2>0P(x): x^2 > 0. Nu geldt dat de bewering x{0,1,2,3,...}:P(x)\exists x \in \{0,1,2,3,...\}:P(x) waar is. Bijvoorbeeld voor x=1x=1.

Let op dat het domein belangrijk is:

Voorbeeld

Gegeven is de open bewering P(x):x2=3P(x): x^2 = 3. Nu is de bewering xR:P(x)\exists x \in \R : P(x) waar, bijvoorbeeld voor x=3x=\sqrt3.

De bewering xZ:P(x)\exists x \in \Z : P(x) daarentegen is niet waar.

Negatie van quantoren

Voor de negatie van quantoren gelden de volgende regels:

  • ¬(xS:P(x))xS:¬P(x) \lnot \big(\forall x \in S: P(x)\big) \equiv \exists x \in S : \lnot P(x)
  • ¬(xS:P(x))xS:¬P(x) \lnot \big(\exists x \in S: P(x)\big) \equiv \forall x \in S : \lnot P(x)

In het algemeen wissel je bij negatie de \forall- en \exists-symbolen om, en trek je het ¬\lnot-symbool "naar binnen".

Voorbeeld

¬(xS:yT:P(x,y))xS:yT:¬P(x,y) \lnot \big(\forall x \in S : \exists y \in T : P(x, y)\big) \equiv \exists x \in S : \forall y \in T : \lnot P(x, y)

Gemaakt door Jeroen van Rensen.