1. Алгебра высказываний

1.1. Аксиоматический метод и его понятийный аппарат

Основные понятия. Определение. Аксиома. Аксиоматический метод. Теорема. Доказательство. Основные методы доказательств

Определение.

В любой науке, в математике тоже, существуют некоторые понятия, которые мы принимаем за исходные, или начальные понятия. Это так называемые основные понятия, определить которые достаточно сложно (именно потому, что они основные) и содержание которых можно выяснить только из опыта. Таковы, например, понятия: точки в геометрии, прямой в планиметрии, плоскости в стереометрии, материи в физике, информации в информатике.

Все остальные понятия мы объясняем, выражая их через начальные понятия. Такие объяснения называются определениями. Таким образом, каждое математическое определение опирается либо непосредственно на начальные понятия, либо на понятия, определённые прежде.

Однако здесь невозможно обеспечить всеобщего согласия. Дело в том, что одно и то же, например, геометрическое понятие можно определять различно. Диаметр окружности, например, можно определить как хорду, проходящую через центр, или как хорду наибольшей длины. Приняв за определение одно из этих свойств, можно доказать другое. Отметим, что обычно за определение берут простейшее свойство.

Аксиома. Аксиоматический метод.

При построении любой теории выделяется некоторый набор высказываний, истинность которых постулируется. Такие принимаемые без доказательства высказывания, называются аксиомами. В физике аксиомы называют постулатами, которые являются обобщением опытных данных.

Аксиомы также возникли из опыта, и опыт же проверяет истинность аксиом в их совокупности.

Аксиоматический метод – это способ построения научной (математической) теории, основу которого составляют некоторые исходные положения (аксиомы), а все остальные положения теории получаются как логические следствия аксиом.

Доказательство. Теорема.

Последовательность высказываний рассматриваемой теории, каждое из которых либо является аксиомой, либо выводится из одного или более предыдущих высказываний этой последовательности по логическим правилам вывода, называется доказательством.

Высказывание, которое можно доказать, называется теоремой. Как было указано выше, опыт проверяет истинность аксиом в их совокупности. Проверка состоит в том, что все теоремы математики оказываются согласными с опытом. Этого не случилось бы, если бы система аксиом была ложной.

Каждая теорема может быть выражена в формализованной математической форме вида:

(читается: «для любого элемента х из А(х) следует В(х), где х принадлежит множеству М»).

Посылка А называется условием теоремы, а следствие В – заключением. Теорема верна, если выражающая её логическая связка, в данном случае это импликация (читается: «из А следует В», или «если А, то В»), обеспечивает истинное высказывание.

Рассмотрим примеры:

Теорема 1. Если сумма цифр натурального числа делится на 3, то и само число делится на 3.

Теорема 2. Если четырёхугольник является прямоугольником, то его диагонали конгруэнтны.

Теорема 3. Диагонали ромба взаимно перпендикулярны.

Из-за краткости формулировки теоремы 3 о диагоналях ромба может показаться, что эта теорема не имеет формы . На самом деле это не так. Полная формулировка этой теоремы такова (напомним, что ромбом называется параллелограмм, у которого все стороны равны): «Для любого параллелограмма верно утверждение: если параллелограмм – ромб, то его диагонали взаимно перпендикулярны».

Особенность аксиоматического метода.

Ни одно математическое высказывание (или свойство), взятое в отдельности, не является аксиомой, так как его всегда можно доказать на основании других высказываний (свойств). Например, в геометрии обычно принимается за аксиому следующее свойство параллельных прямых линий: «Через одну и ту же точку нельзя провести две различные прямые, параллельные одной и той же прямой» (аксиома параллельности). На основании этой аксиомы (и ряда других) доказывается такое свойство треугольника, как: «Сумма углов треугольника равна 180^о». Между тем, можно было бы это свойство принять за аксиому вместо аксиомы параллельности (оставив остальные аксиомы прежними). Тогда свойство параллельности прямых линий можно доказать, и оно станет теоремой.

Таким образом, систему аксиом можно выбирать различными способами. Нужно только, чтобы взятых аксиом было достаточно для вывода всех прочих высказываний.

Отметим, что при построении доказательств число аксиом стремятся, по возможности, уменьшить.

Основные методы доказательств.

Метод цепочек импликаций состоит в том, что из посылки А выстраивается цепочка из n импликаций, последним высказыванием в которой является заключение теоремы В, т.е.

.

В основе этого метода лежит закон цепного высказывания, или закон силлогизма:

.

Символ означает логический союз «и», а выражение читается, как «А и В».

Метод от противного.

Этот метод основан на законе контрапозиций, который имеет вид:

.

Символ ( ) соответствует логическому союзу «не»,

выражение читается, как: «не А», или «не верно, что А».

Символ ( ) соответствует любому из трёх логических высказываний:

1) «необходимо и достаточно»,

2) «тогда и только тогда»

3) «эквивалентно»

Метод необходимого и достаточного.

Например, теорема формулируется так: «Чтобы имело место А, необходимо и достаточно выполнение В».

Доказательство такого вида теоремы распадается на две части: сначала доказывается, что если имеет место А, то справедливо В (В необходимо для А), затем доказывается, что если имеет место В, то имеет место и А (В достаточно для А).

Доказательство таким методом базируется на законе тавтологии:

.

Упражнения для самостоятельного анализа к Разделу 1:

Упражнение 1.

Установите правильное соответствие между математическим утверждением и его формулировкой.

1. «В любой треугольник можно вписать окружность».	А. Определение B. Аксиома C. Теорема
2. «Если все стороны многоугольника касаются окружности, то окружность называется вписанной в многоугольник».
3. «Через любые три точки, не лежащие на одной прямой, проходит плоскость, и притом только одна».

Упражнение 2.

Выберите правильный ответ. К неопределяемым понятиям аксиоматического построения геометрии на плоскости относятся …

1) фигура, плоскость, луч	2) луч, треугольник, плоскость
3) точка, прямая, плоскость	4) точка, отрезок, плоскость

Упражнение 3.

Среди предложенных математических утверждений евклидовой геометрии аксиомой является…

1) Если две параллельные прямые пересечены секущей, то соответственные углы равны.

2) Две прямые, параллельные третьей прямой, параллельны.

3) Две прямые на плоскости называются параллельными, если они не пересекаются.

4) Через точку, не лежащую на данной прямой, проходит только одна прямая, параллельная данной.

Упражнение 4.

Установите правильное соответствие между математическим утверждением и его формулировкой.

1. «Трапецией называется четырёхугольник, у которого две стороны параллельны, а две другие – не параллельны».	А. Определение B. Аксиома C. Теорема
2. «На каждой прямой и в каждой плоскости имеются, по крайней мере, две точки».
3. «Если два угла одного треугольника соответственно равны двум углам другого треугольника, то такие треугольники подобны».

Упражнение 5.

Среди предложенных математических утверждений аксиомой является…

1) Через любые две точки плоскости можно провести прямую, и притом только одну.

2) В равнобедренном треугольнике углы при основании равны.

3) Диагонали параллелограмма точкой пересечения делятся пополам.

4) Вертикальные углы равны.