Kurs: M0065M
Logiken ger ett exakt språk för “om … så” och “om och endast om”. Vi behöver det för två saker i analysen: för att läsa och skriva bevis, och för att räkna ekvationer rätt. Varje steg i en ekvationslösning är en implikation eller en ekvivalens, och skillnaden mellan dem avgör om vi får falska rötter eller tappar riktiga.
Idén
En utsaga är ett påstående som är antingen sant eller falskt, men inte båda. Logiska symboler binder ihop utsagor, och en bevismetod är ett säkert sätt att gå från det vi vet () till det vi vill visa ().
1. Logiska symboler
| Symbol | Betydelse |
|---|---|
| och | |
| eller | |
| icke | |
| medför | |
| om och endast om | |
| för alla | |
| det finns |
En utsaga som innehåller en variabel, som , kallas öppen: den är sann för vissa och falsk för andra. Uttrycket utan likhetstecken är ingen utsaga alls.
Sanningsvärden. är sann när minst en av och är sann (inkluderande eller). är falsk bara i ett fall: när är sann och falsk.
| S | S | S | S | S | S |
| S | F | F | S | F | F |
| F | S | F | S | S | F |
| F | F | F | F | S | S |
Gäller både och skriver vi . Exempelvis gäller , men inte omvändningen, eftersom även ger .
2. Logik vid ekvationslösning
Varje omskrivning av en ekvation är en implikation. Är alla steg ekvivalenser har vi exakt rätt lösningsmängd; är något steg bara en implikation kan falska rötter smyga sig in, och de måste prövas bort.
- Faktorisera, dela inte. Ur får vi . Delar vi i stället med tappar vi roten .
- Kvadrering ger bara . , men inte omvänt. Efter kvadrering måste varje rot prövas i den ursprungliga ekvationen.
Exempel — En rotekvation
Vi löser .
Lösning
Flytta och kvadrera. ger efter kvadrering
Kvadrera igen (bara ): , så eller .
Pröva. : , falsk rot. : , stämmer.
Den falska roten kommer från kvadreringen: löser , inte .
Stämmer med det handskrivna lösningsförslaget.
3. Vanliga bevismetoder
- Direkt bevis: antag , härled .
- Motsägelsebevis: antag , härled motsägelse.
- Kontrapositiv: visa .
- Induktion: se Matematisk induktion.
- Motexempel: för att visa att ett påstående “för alla gäller …” är falskt räcker det med ett enda där det inte gäller.
Direkta bevis om heltal bygger ofta på att ett jämnt tal kan skrivas och ett udda , med heltal.
Kontrapositionen är det logiska skälet till att indirekta bevis fungerar:
Exempel: “om är jämnt så är jämnt” är svårt att visa direkt. Kontrapositivt blir det “om är udda så är udda”, och det följer av .
Härledning: kontrapositionen är ekvivalent med implikationen
Ställ upp sanningstabellen för båda:
S S S F F S S F F S F F F S S F S S F F S S S S Kolumnerna för och är lika på varje rad, så utsagorna är ekvivalenta. Omvändningen har däremot kolumnen S, S, F, S och är inte ekvivalent med .
Härledning: det finns oändligt många primtal (motsägelsebevis)
Antag motsatsen: det finns bara ändligt många primtal . Bilda
Eftersom kan inte vara ett primtal, så är delbart med något primtal, säg . Då är även delbart med , vilket är omöjligt eftersom . Antagandet var alltså falskt. (Euklides.)
4. Negation av kvantifierade utsagor
och på samma sätt
Negationen av “och” blir “eller” och tvärtom (de Morgans lagar): och .
Vanliga fel
- där bara gäller. Efter kvadrering eller multiplikation med ett uttryck som kan vara noll är steget bara en implikation; rötterna måste prövas.
- Dela med en faktor som kan vara noll. delat med ger och tappar .
- Förväxla omvändning och kontraposition. följer inte av ; det gör däremot .
- Fel negation. Negationen av “minst 30” är “högst 29”, inte “högst 30”; negationen av “för alla” är “det finns ett som inte”.
5. Lösta övningar
Testuppgift 1.3 — Negationer
Vi formulerar negationen till utsagorna a) Minst 30 personer är närvarande. b) Högst 30 personer är närvarande. c) Högst 5 personer är frånvarande. d) Minst 5 personer är frånvarande. e) 5 personer är närvarande.
Lösning
Negationen ska vara sann exakt när utsagan är falsk. “Minst ” betyder , och för heltal.
a)
b) :
c)
d)
e) :
Facit: a) Högst 29 personer är närvarande. b) Minst 31 personer är närvarande. c) Minst 6 personer är frånvarande. d) Högst 4 personer är frånvarande. e) Högst 4 eller minst 6 personer är närvarande.
Testuppgift 1.7 — Ekvationer med falska rötter
Vi löser ekvationerna a) b) c) .
Lösning
a) Faktorisera i stället för att dela: , så
( är en dubbelrot.)
b) . Kvadrering ger () , alltså eller . Prövning: ger , falsk rot. ger , stämmer.
c) Båda rötterna är definierade bara för . Där gäller , och kvadrering ger , alltså . Men ligger utanför definitionsmängden ( finns inte), så
Facit: a) , b) c) .
Testuppgift 1.9 — Ett direkt bevis
Vi ger ett direkt bevis för satsen: “Om är udda så är jämnt.”
Lösning
Förutsättning. udda, alltså för något heltal .
Räkna.
Slutsats. är ett heltal, så är två gånger ett heltal:
(Påståendet gäller för övrigt alla heltal, eftersom är en produkt av två på varandra följande tal.)
Facit: .