Elemente de logică matematică și teoria mulțimilor

Propoziții, predicate și cuantificatori

Propoziția (matematică) este un enunț care poate fi adevărat sau fals.

Valoarea de adevăr a unei propoziții p se notează v(p):

v(p)=1, dacă p este adevărată0, dacă p este falsă , sauv(p)=A, dacă p este adevăratăF, dacă p este falsă

Predicatul este un enunț care conține una sau mai multe variabile și care, pentru anumite valori atribuite variabilelor, corespunde unei propoziții adevărate sau false.

Notații:

p(x) - predicat unar

p(x,y) - predicat binar

p(x,y,z) - predicat ternar.

Mulțimea D în care variabilele iau valori se numește domeniu de definiție al predicatului.

Mulțimea de adevăr a unui predicat este:

Ap(x)=x∈D  p(x) adevărată

Prin utilizarea cuantificatorilor, transformăm predicatele în propoziții.

Cuantificatorul existențial: ∃

Propoziția existențială:

∃xp(x) este adevărată dacă există cel puțin un element x0∈D astfel încât p(x0) să fie adevărată.

Cuantificatorul universal:  ∀

Propoziția universală:

∀xp(x) este adevărată dacă pentru orice element x0∈D propoziția p(x0) este adevărată. 

Negația propozițiilor și a predicatelor. Complementara unei mulțimi

Negația propoziției p este propoziția "non p" care este adevărată dacă p este falsă și falsă dacă p este adevărată.

Notații:

¬p, p¯

v(¬p)=1, v(p)=00, v(p)=1

 p  p¯
 1   0
 0   1

Negația predicatului p(x) este un predicat adevărat pentru acele valori ale lui x pentru care p(x) este fals și fals pentru acele valori ale lui x pentru care p(x) este adevărat.

Notații:

¬p(x), p(x)¯

Complementara multimii A în raport cu mulțimea D este:

CDA=x x∈D și x∉A

A¬p(x)=CDAp(x)

 

 

Conjuncția propozițiilor și a predicatelor. Intersecția mulțimilor

Conjuncția propozițiilor p, q este propoziția "p și q" care este adevărată dacă și numai dacă p și q sunt adevărate și falsă în celelalte cazuri.

Notație:

p∧q

  p   q   p∧q
 1  1     1
 1  0       0
 0  1     0
 0  0     0

Conjuncția predicatelor p(x), q(x) devine o propoziție adevărată pentru acele valori ale lui x pentru care atât p(x) cât și q(x) sunt adevărate și falsă în celelalte cazuri. 

Notație:

p(x)∧q(x)

Intersecția a două mulțimi A și B se exprimă printr-o conjuncție:

A∩B=x  x∈A și x∈B

Disjuncția propozițiilor și a predicatelor. Reuniunea mulțimilor

Disjuncția propozițiilor p, q este propoziția "p sau q" care este adevărată dacă și numai dacă cel puțin una din propozițiile p, q este adevărată și falsă în celelalte cazuri.

Notație:

p∨q

 p  q  p∨q
 1  1      1
 1  0      1
 0  1      1
 0  0      0

Disjuncția predicatelor p(x), q(x) devine o propoziție adevărată pentru acele valori ale lui x pentru care cel puțin una din propozițiile p(x), q(x) este adevărată și falsă în caz contrar.

Notație:

p(x)∨q(x)

Reuniunea a două mulțimi A și B se exprimă printr-o disjuncție:

A∪B=x  x∈A sau x∈B.

Implicația propozițiilor și a predicatelor. Incluziunea mulțimilor

Implicația propozițiilor p, q este propoziția "p implică q" care este falsă dacă și numai dacă p este adevărată și q este falsă și adevărată în celelalte cazuri.

Notație:

p→q

 p  q  p→q
 1  1     1
 1  0     0
 0  1     1
 0  0     1

Implicația predicatelor p(x), q(x): 

Predicatul q(x) este consecința logică a predicatului p(x) dacă este adevărată propoziția:

 (∀x)(p(x)→q(x)).

Notație:

p(x)⇒q(x)

(citim: "dacă p(x) atunci q(x)" sau "q(x) este consecința logică a lui p(x)").

Incluziunea a două mulțimi A și B se exprimă printr-o implicație:

A⊂B⇔∀xx∈A→x∈B⇔(p(x)⇒q(x)).

Echivalența propozițiilor și a predicatelor. Egalitatea mulțimilor

Echivalența propozițiilor p, q este propoziția "p echivalent cu q" care este adevărată dacă și numai dacă ambele propoziții au aceeași valoare de adevăr.

Notație:

p↔q

 p  q  p↔q
 1  1     1
 1  0     0
 0  1     0
 0  0     1

Echivalența predicatelor:

Predicatele p(x) și q(x) se numesc echivalente dacă este adevărată propoziția:

∀xp(x)↔q(x).

Notație:

p(x)⇔q(x)

Egalitatea mulțimilor A și B se exprimă printr-o relație de echivalență:

A=B⇔∀x(x∈A↔x∈B)⇔p(x)⇔q(x).

 

 

Formule de calcul propozițional. Legile De Morgan

Legile lui De Morgan pentru propoziții:

1. Negația disjuncției este conjuncția negațiilor.

p∨q¯≡p¯∧q¯

2. Negația conjuncției este disjuncția negațiilor.

p∧q¯≡p¯∨q¯

Legile lui De Morgan pentru mulțimi:

A, B⊆D

CD(A∪B)=CDA∩CDBCD(A∩B)=CDA∪CDB

 

Prezentarea metodei inducției matematice

Fie P(n) o propoziție matematică ce depinde de numărul natural n.

n∈ℕ, n≥m.

Pentru a demonstra prin metoda inducției matematice propoziția: 

"P(n), ∀n≥m"

parcurgem două etape:

  1.  Etapa de verificare: se verifică dacă propoziția P(m) este adevărată.
  2.  Etapa de demonstație: demonstrăm implicația

P(k)⇒P(k+1), k≥m

Pentru aceasta, presupunem că propoziția P(k) este adevărată și se demonstrează că P(k+1) este adevărată.

Concluzie: dacă ambele etape sunt verificate, atunci propoziția P(n) este adevărată, ∀n∈ℕ, n≥m.

 

Inducția matematică - aplicații

Fie P(n) o propoziție matematică ce depinde de numărul natural n.

n∈ℕ, n≥m.

Pentru a demonstra prin metoda inducției matematice propoziția: 

"P(n), ∀n≥m"

parcurgem două etape:

  1.  Etapa de verificare: se verifică dacă propoziția P(m) este adevărată.
  2.  Etapa de demonstație: demonstrăm implicația

P(k)⇒P(k+1), k≥m

Pentru aceasta, presupunem că propoziția P(k) este adevărată și se demonstrează că P(k+1) este adevărată.

Concluzie: dacă ambele etape sunt verificate, atunci propoziția P(n) este adevărată, ∀n∈ℕ, n≥m.

Calculul unor sume și scrierea acestora cu ajutorul simbolului Sigma

Pentru a scrie restrâns anumite sume, folosim simbolul SIGMA. 

Exemplu:

Sn=a1+a2+...+an=∑k=1nak

Proprietăți:

Fie α, β∈ℝ*.

1.  ∑k=1nαak=α∑k=1nak

2.  ∑k=1n(ak+bk)=∑k=1nak+∑k=1nbk

3.  ∑k=1n(αak+βbk)=α∑k=1nak+β∑k=1nbk.

 

Metoda inducției matematice pentru demonstrarea unor inegalități

Fie P(n) o propoziție matematică ce depinde de numărul natural n.

n∈ℕ, n≥m.

Pentru a demonstra prin metoda inducției matematice propoziția: 

"P(n), ∀n≥m"

parcurgem două etape:

  1.  Etapa de verificare: se verifică dacă propoziția P(m) este adevărată.
  2.  Etapa de demonstație: demonstrăm implicația

P(k)⇒P(k+1), k≥m

Pentru aceasta, presupunem că propoziția P(k) este adevărată și se demonstrează că P(k+1) este adevărată.

Concluzie: dacă ambele etape sunt verificate, atunci propoziția P(n) este adevărată, ∀n∈ℕ, n≥m.