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Logische Grundlagen des Mathematikunterrichts - Mathematik und ...

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

<strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> <strong>des</strong> <strong><strong>Mathematik</strong>unterrichts</strong><br />

Alexander Tochtenhagen, Marcel Grüneberg<br />

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II - Institut für <strong>Mathematik</strong><br />

10. November 2010<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Inhaltsverzeichnis<br />

1 Logik<br />

2 Rahmenplan<br />

3 <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong><br />

4 Äquivalenzumformungen<br />

5 Beweise<br />

6 Bedingungen<br />

7 Zum Anfang<br />

8 Quellen<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Einführung<br />

Ein Jäger geht auf die Jagd<br />

Ein Jäger geht auf die Jagd; So-<br />

nusvox ist sein Hüfthorn, aus wel-<br />

chem duae praemissae als zwei Ro-<br />

sen hervorgehen; der das Horn hal-<br />

tende Arm bedeutet Argumenta; auf<br />

seiner Brust ist Conclusio geschrie-<br />

ben; Syllogismus ist sein Waidmes-<br />

ser, Quaestio der Bogen in seiner<br />

rechten Hand; vor ihm springen zwei<br />

Jagdh<strong>und</strong>e, ein schöner Veritas <strong>und</strong><br />

ein häßlicher Falsitas; Gegenstand<br />

der Jagd ist ein Hase Problema;<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Einführung<br />

Definition Logik<br />

Logik<br />

Logik ist die Lehre <strong>des</strong> vernünftigen (Schluss-)Folgerns.<br />

Logik untersucht die Gültigkeit von Argumenten hinsichtlich<br />

ihrer Struktur unabhängig vom konkreten Inhalt der<br />

eigentlichen Aussagen.<br />

man spricht auch von ” mathematischer”Logik.<br />

Logik ist Disziplin der Philosophie, der <strong>Mathematik</strong> <strong>und</strong> der<br />

Informatik<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Einführung<br />

Historischer Überblick<br />

Die Logik wurde als ” Wissenschaft vom richtigen<br />

Schließen”von Aristoteles begründet <strong>und</strong> hat, durch<br />

Mittelalter bis zu Kant <strong>und</strong> Hegel, die verschiedensten<br />

philosophischen (<strong>und</strong> theologischen) Erweiterungen erfahren.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Einführung<br />

Historischer Überblick<br />

Die Logik wurde als ” Wissenschaft vom richtigen<br />

Schließen”von Aristoteles begründet <strong>und</strong> hat, durch<br />

Mittelalter bis zu Kant <strong>und</strong> Hegel, die verschiedensten<br />

philosophischen (<strong>und</strong> theologischen) Erweiterungen erfahren.<br />

George Boole führte als erster für den Teilbereich der<br />

Aussagenlogik eine Formalisierung ein. Dies kann insofern als<br />

die Geburtsst<strong>und</strong>e mathematischer Logik dienen, als damit die<br />

Logik einer mathematischen Betrachtung zugänglich wurde.<br />

Booles Ansatz wurde später zur Prädikatenlogik erweitert.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Einführung<br />

Historischer Überblick<br />

Die Logik wurde als ” Wissenschaft vom richtigen<br />

Schließen”von Aristoteles begründet <strong>und</strong> hat, durch<br />

Mittelalter bis zu Kant <strong>und</strong> Hegel, die verschiedensten<br />

philosophischen (<strong>und</strong> theologischen) Erweiterungen erfahren.<br />

George Boole führte als erster für den Teilbereich der<br />

Aussagenlogik eine Formalisierung ein. Dies kann insofern als<br />

die Geburtsst<strong>und</strong>e mathematischer Logik dienen, als damit die<br />

Logik einer mathematischen Betrachtung zugänglich wurde.<br />

Booles Ansatz wurde später zur Prädikatenlogik erweitert.<br />

Den Höhepunkt der Entwicklung stellt die Veröffentlichung<br />

der ” Principia Mathematica” von A.N. Whitehead <strong>und</strong> B.<br />

Russel dar.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Ein paar einfache Probleme<br />

Wason Selection Task<br />

Gegeben sind Karten mit einer Ziffer auf der einen Seite <strong>und</strong> einem<br />

Buchstaben auf der anderen Seite.<br />

These: Wenn die Karte auf einer Seite einen Vokal hat, dann hat<br />

sie auf der anderen Seite eine gerade Zahl.<br />

Aufgabe: Welche Karten sind umzudrehen, um die These zu<br />

testen?<br />

Tipp: Es sind so wenig wie möglich, aber soviel wie nötig<br />

umzudrehen.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Ein paar einfache Probleme<br />

Die Verneinung<br />

Aufgabe: Verneine folgende Aussagen!<br />

1 Alle Schüler sind fleißig.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Ein paar einfache Probleme<br />

Die Verneinung<br />

Aufgabe: Verneine folgende Aussagen!<br />

1 Alle Schüler sind fleißig.<br />

2 Der gegenwärtige König von Frankreich hat eine Glatze.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Sek<strong>und</strong>arstufe I<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Prozessbezogene Kompetenzbereiche<br />

Die Aufgabe <strong>des</strong> <strong><strong>Mathematik</strong>unterrichts</strong> ist es, auf allen<br />

Niveaustufen Schülerinnen <strong>und</strong> Schülern den Erwerb der<br />

folgenden Kompetenzen zu ermöglichen.<br />

Argumentieren<br />

Probleme lösen<br />

Modellieren<br />

Darstellungen verwenden<br />

Mit symbolischen, formalen <strong>und</strong> technischen Elementen der<br />

<strong>Mathematik</strong> umgehen<br />

Kommunizieren<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Argumentieren<br />

Mathematisches Argumentieren umfasst das Erk<strong>und</strong>en von<br />

Situationen, das Aufstellen von Vermutungen <strong>und</strong> das schlüssige<br />

Begründen von vermuteten Zusammenhängen. In der<br />

Sek<strong>und</strong>arstufe I kommen beim Argumentieren unterschiedliche<br />

Grade der Strenge zum Tragen: vom intuitiven, anschaulichen<br />

Begründen bis zum mehrschrittigen Beweisen durch Zurückführen<br />

auf gesicherte Aussagen.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Prozessbezogene Standards<br />

Die folgenden Standards werden von Schülerinnen <strong>und</strong> Schülern<br />

aller Schulformen <strong>und</strong> am Ende beider Doppeljahrgangsstufen<br />

erwartet.<br />

Argumentieren<br />

Die Schülerinnen <strong>und</strong> Schüler<br />

erk<strong>und</strong>en mathematische Situationen <strong>und</strong> stellen<br />

Vermutungen auf,<br />

begründen die Plausibilität von Vermutungen oder widerlegen<br />

diese durch Angabe von Beispielen oder Gegenbeispielen,<br />

entwickeln schlüssige Argumentationen zur Begründung<br />

mathematischer Aussagen,<br />

hinterfragen Argumentationen <strong>und</strong> Begründungen kritisch,<br />

finden <strong>und</strong> korrigieren Fehler.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Beispiele<br />

<strong>Mathematik</strong>unterricht soll nicht nur mathematische Inhalte<br />

transportieren, sondern Schülerinnen <strong>und</strong> Schüler dazu befähigen<br />

diese auch kritisch zu prüfen. =⇒ Beweisen!<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Beispiele<br />

<strong>Mathematik</strong>unterricht soll nicht nur mathematische Inhalte<br />

transportieren, sondern Schülerinnen <strong>und</strong> Schüler dazu befähigen<br />

diese auch kritisch zu prüfen. =⇒ Beweisen!<br />

P6 – 7/8 Konstruieren <strong>und</strong> mit ebenen Figuren argumentieren<br />

⋆⋆ beweisen den Satz <strong>des</strong> Thales<br />

⋆⋆ beweisen den Satz über die Winkelsumme im Dreieck<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Beispiele<br />

<strong>Mathematik</strong>unterricht soll nicht nur mathematische Inhalte<br />

transportieren, sondern Schülerinnen <strong>und</strong> Schüler dazu befähigen<br />

diese auch kritisch zu prüfen. =⇒ Beweisen!<br />

P6 – 7/8 Konstruieren <strong>und</strong> mit ebenen Figuren argumentieren<br />

⋆⋆ beweisen den Satz <strong>des</strong> Thales<br />

⋆⋆ beweisen den Satz über die Winkelsumme im Dreieck<br />

P5 – 9/10 Mit Winkeln <strong>und</strong> Längen rechnen<br />

⋆⋆⋆ beweisen den Sinus- <strong>und</strong> den Kosinussatz in beliebigen<br />

Dreiecken<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Beispiele<br />

<strong>Mathematik</strong>unterricht soll nicht nur mathematische Inhalte<br />

transportieren, sondern Schülerinnen <strong>und</strong> Schüler dazu befähigen<br />

diese auch kritisch zu prüfen. =⇒ Beweisen!<br />

P6 – 7/8 Konstruieren <strong>und</strong> mit ebenen Figuren argumentieren<br />

⋆⋆ beweisen den Satz <strong>des</strong> Thales<br />

⋆⋆ beweisen den Satz über die Winkelsumme im Dreieck<br />

P5 – 9/10 Mit Winkeln <strong>und</strong> Längen rechnen<br />

⋆⋆⋆ beweisen den Sinus- <strong>und</strong> den Kosinussatz in beliebigen<br />

Dreiecken<br />

P2 – 9/10 Längen <strong>und</strong> Flächen bestimmen <strong>und</strong> berechnen<br />

⋆⋆⋆ beweisen den Satz <strong>des</strong> Pythagoras <strong>und</strong> seine Umkehrung<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Beispiele<br />

P1 – 9/10 Neue Zahlen entdecken<br />

⋆⋆⋆ beweisen die Irrationalität einer Quadratwurzel (indirekter<br />

Beweis)<br />

Der indirekte Beweis wird erstmalig im Profilkurs im Rahmen <strong>des</strong><br />

Moduls ” Entdecken, Begründen, Beweisen”behandelt.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Logik im Berliner Rahmenplan<br />

Sek<strong>und</strong>arstufe II<br />

Kurs ma–Z3 Logik<br />

Aussagen– <strong>und</strong> Prädikatenlogik<br />

Quantoren, Verknüpfungen bei Aussageformen,<br />

Mengendiagramme<br />

logische Schlussformen<br />

Beachte: Zusatzkurse dürfen nicht vor dem Besuch der<br />

entsprechenden Gr<strong>und</strong>– oder Leistungskurse belegt werden<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Mathematische Logik<br />

Einführung<br />

Die Mathematische Logik ist eine Ausdehnung der formalen<br />

Methode der <strong>Mathematik</strong> auf das Gebiet der Logik.<br />

logisches Denken findet sein Abbild in einem Logikkalkül<br />

erfolgreiche Inangriffnahmen von Problemen, bei denen rein<br />

inhaltliches Denken versagt<br />

nützlich in Disziplinen die eine axiomatische Begründung<br />

zulassen<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Aussagenlogik<br />

Definition<br />

Aussage<br />

Eine Aussage ist ein Satz, von dem es sinnvoll ist zu behaupten,<br />

dass sein Inhalt richtig oder falsch ist.<br />

Beispiele:<br />

Der Schnee ist schwarz.<br />

9 ist eine Primzahl.<br />

Hertha BSC steigt nächste Saison nicht auf.<br />

Die Masse m eines Körpers ist von seinem Bewegungszustand<br />

unabhängig, d.h. m0 = mv .<br />

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Aussagenlogik<br />

Verknüpfung von Aussagen<br />

Bei Aussagen interessiert uns nicht Inhalt, sprachliche Gestallt<br />

oder gedankliche Struktur.<br />

Was uns interssiert ist der Wahrheitswert<br />

Wichtige Verknüpfungen sind: ∧(<strong>und</strong>), ∨(oder), ¬(Negation),<br />

⇒(Implikation), ⇔(Äquivalenz)<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Aussagenlogik<br />

Verknüpfung von Aussagen<br />

Bei Aussagen interessiert uns nicht Inhalt, sprachliche Gestallt<br />

oder gedankliche Struktur.<br />

Was uns interssiert ist der Wahrheitswert<br />

Wichtige Verknüpfungen sind: ∧(<strong>und</strong>), ∨(oder), ¬(Negation),<br />

⇒(Implikation), ⇔(Äquivalenz)<br />

A B ¬A A∧B A∨B A ⇒ B A ⇔ B<br />

f f w f f w w<br />

f w w f w w f<br />

w f f f w f f<br />

w w f w w w w<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Aussagenlogik<br />

Aussagenlogische Gesetze<br />

tertium non datur<br />

Der Satz vom Ausgeschlossenem Dritten behauptet, dass zwei<br />

einander widersprechende Aussagen nicht beide ungültig sein<br />

können.<br />

A ¬A A ∨ ¬A<br />

wahr falsch wahr<br />

falsch wahr wahr<br />

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Aussagenlogik<br />

Aussagenlogische Gesetze<br />

ex falso quodlibet<br />

Aus Falschem folgt Beliebiges, d.h. aus einer Falschen Annahme<br />

kann man quasi beliebige Aussagen ableiten.<br />

Das bedeutet aber auch, dass aus Wahrem nur Wahres folgen darf.<br />

Angeblich soll Bertand Russel zu einem Philosophen gesagt haben,<br />

dass ein falscher Satz jeden beliebigen Satz impliziert. Daraufhin<br />

meinte der Philosoph, können Sie mir beweisen: ” Wenn 1 = 2, so<br />

sind Sie der Papst.” [6]<br />

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Schlussregeln<br />

Modus ponendo ponens<br />

Abtrennungsregel<br />

Der Modus ponendo ponens, ist eine Schlussfigur (modus) der<br />

klassischen Logik, die durch das Setzen (ponendo) einer Aussage<br />

eine andere Aussage setzt (ponens). Aus einer gegebenen erster<br />

Prämisse, ” Wenn A, dann B”, <strong>und</strong> durch das Setzen der zweiten<br />

Prämisse A folgt die Konklusion B.<br />

A ⇒ B<br />

A<br />

B<br />

Beispiel:<br />

” Wenn es regnet, wird die Straße nass“ <strong>und</strong> Es regnet“ folgt<br />

”<br />

logisch: Die Straße wird nass“.<br />

”<br />

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Schlussregeln<br />

Modus tollendo tollens<br />

Aufhebungsregel<br />

Der Modus tollendo tollens ” durch Aufheben aufhebende<br />

Schlussweise“ist eine Schlussfigur (modus), die es erlaubt, dass aus<br />

den Voraussetzungen ” nicht B“<strong>und</strong> ” Wenn A, dann B“auf die<br />

Wahrheit von nicht A geschlossen werden kann.<br />

A ⇒ B<br />

¬B<br />

¬A<br />

Beispiel:<br />

” Wenn es regnet, ist die Straße nass“<strong>und</strong> Die Straße ist nicht<br />

”<br />

nass”folgt logisch Es regnet nicht”.<br />

”<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Schlussregeln<br />

Modus tollendo tollens<br />

Aufhebungsregel<br />

Der Modus tollendo tollens ” durch Aufheben aufhebende<br />

Schlussweise“ist eine Schlussfigur (modus), die es erlaubt, dass aus<br />

den Voraussetzungen ” nicht B“<strong>und</strong> ” Wenn A, dann B“auf die<br />

Wahrheit von nicht A geschlossen werden kann.<br />

A ⇒ B<br />

¬B<br />

¬A<br />

Beispiel:<br />

” Wenn es regnet, ist die Straße nass“<strong>und</strong> Die Straße ist nicht<br />

”<br />

nass”folgt logisch Es regnet nicht”.<br />

”<br />

Achtung, der Schluss: Die Straße ist nass, daher regnet es“ist<br />

”<br />

unzulässig <strong>und</strong> falsch.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Prädikatenlogik<br />

<strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong><br />

Prädikatenlogik ist ebenfalls eine klassische Logik<br />

Erweiterung der Aussagenlogik betrachten<br />

Prädikatenlogik kann mögliche Variablen mit Hilfe<br />

sogenannter Quantoren quantifizieren<br />

Für uns wichtig an dieser Stelle sind die folgenden Quantoren:<br />

∀ für alle<br />

∃ es existiert<br />

∃! es existiert genau ein<br />

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Prädikatenlogik<br />

Formalisierung<br />

Mit Hilfe der Prädikatenlogik lässt sich ein großer Bereich an<br />

Sätzen formalisieren <strong>und</strong> dann auf seine Gültigkeit innerhalb eines<br />

Axiomsystems prüfen.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Prädikatenlogik<br />

Formalisierung<br />

Mit Hilfe der Prädikatenlogik lässt sich ein großer Bereich an<br />

Sätzen formalisieren <strong>und</strong> dann auf seine Gültigkeit innerhalb eines<br />

Axiomsystems prüfen.<br />

Ein Mädchen spielt Schach.<br />

Es gibt jemanden, der Mädchen ist <strong>und</strong> Schach spielt.<br />

Es gibt ein x, für das gilt: x ist Mädchen <strong>und</strong> x spielt Schach.<br />

∃x : x ist Mädchen ∧ x spielt Schach.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Prädikatenlogik<br />

Formalisierung<br />

Mit Hilfe der Prädikatenlogik lässt sich ein großer Bereich an<br />

Sätzen formalisieren <strong>und</strong> dann auf seine Gültigkeit innerhalb eines<br />

Axiomsystems prüfen.<br />

Ein Mädchen spielt Schach.<br />

Es gibt jemanden, der Mädchen ist <strong>und</strong> Schach spielt.<br />

Es gibt ein x, für das gilt: x ist Mädchen <strong>und</strong> x spielt Schach.<br />

∃x : x ist Mädchen ∧ x spielt Schach.<br />

Alle Frauen sind gute Autofahrer.<br />

Für je<strong>des</strong> Ding gilt, wenn es eine Frau ist, dann fährt es gut<br />

Auto.<br />

Für alle x gilt: ist x eine Frau, dann fährt x gut Auto.<br />

∀x : x ist eine Frau ⇒ x fährt gut Auto.<br />

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Prädikatenlogik<br />

Wahrheitswerte<br />

Beachte, auch in der Prädikatenlogik lassen sich Wahrheitswerte<br />

den Aussagen zuordnen.<br />

Die Aussage ∃x : F (x) ist genau dann wahr, wenn es<br />

min<strong>des</strong>tens eine Belegung der Variable x gibt, sodass F(x)<br />

erfüllt ist.<br />

Die Aussage ∀x : F (x) ist genau dann wahr, wenn für alle<br />

Belegungen der Variable x, F (x) erfüllt ist.<br />

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Prädikatenlogik<br />

Die Implikation<br />

Betrachte folgende Aussage: ” wenn x < 3, dann x < 5”, d.h.<br />

x < 3 ⇒ x < 5, ∀x ∈ R<br />

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Prädikatenlogik<br />

Die Implikation<br />

Betrachte folgende Aussage: ” wenn x < 3, dann x < 5”, d.h.<br />

Fall Einsetzung<br />

für x<br />

x < 3 ⇒ x < 5, ∀x ∈ R<br />

x < 3 x < 5 x < 3 ⇒ x < 5, d.h. x ≥ 3 ∨ x < 5<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Prädikatenlogik<br />

Die Implikation<br />

Betrachte folgende Aussage: ” wenn x < 3, dann x < 5”, d.h.<br />

Fall Einsetzung<br />

für x<br />

ww<br />

x < 3 ⇒ x < 5, ∀x ∈ R<br />

x < 3 x < 5 x < 3 ⇒ x < 5, d.h. x ≥ 3 ∨ x < 5<br />

2 2 < 3 2 < 5 2 < 3 ⇒ 2 < 5, 2 ≥ 3 ∨ 2 < 5, wahr<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Prädikatenlogik<br />

Die Implikation<br />

Betrachte folgende Aussage: ” wenn x < 3, dann x < 5”, d.h.<br />

Fall Einsetzung<br />

für x<br />

ww<br />

wf<br />

x < 3 ⇒ x < 5, ∀x ∈ R<br />

x < 3 x < 5 x < 3 ⇒ x < 5, d.h. x ≥ 3 ∨ x < 5<br />

2 2 < 3 2 < 5 2 < 3 ⇒ 2 < 5, 2 ≥ 3 ∨ 2 < 5, wahr<br />

– – – –<br />

25 / 52


Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Prädikatenlogik<br />

Die Implikation<br />

Betrachte folgende Aussage: ” wenn x < 3, dann x < 5”, d.h.<br />

Fall Einsetzung<br />

für x<br />

ww<br />

wf<br />

fw<br />

x < 3 ⇒ x < 5, ∀x ∈ R<br />

x < 3 x < 5 x < 3 ⇒ x < 5, d.h. x ≥ 3 ∨ x < 5<br />

2 2 < 3 2 < 5 2 < 3 ⇒ 2 < 5, 2 ≥ 3 ∨ 2 < 5, wahr<br />

– – – –<br />

4 4 < 3 4 < 5 4 < 3 ⇒ 4 < 5, 4 ≥ 3 ∨ 4 < 5, wahr<br />

25 / 52


Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Prädikatenlogik<br />

Die Implikation<br />

Betrachte folgende Aussage: ” wenn x < 3, dann x < 5”, d.h.<br />

Fall Einsetzung<br />

für x<br />

ww<br />

wf<br />

fw<br />

ff<br />

x < 3 ⇒ x < 5, ∀x ∈ R<br />

x < 3 x < 5 x < 3 ⇒ x < 5, d.h. x ≥ 3 ∨ x < 5<br />

2 2 < 3 2 < 5 2 < 3 ⇒ 2 < 5, 2 ≥ 3 ∨ 2 < 5, wahr<br />

– – – –<br />

4 4 < 3 4 < 5 4 < 3 ⇒ 4 < 5, 4 ≥ 3 ∨ 4 < 5, wahr<br />

6 6 < 3 6 < 5 6 < 3 ⇒ 6 < 5, 6 ≥ 3 ∨ 6 < 5, wahr<br />

Man erkennt: Kritische Fall ” wf”kann nicht eintreten.<br />

Damit ist die Allgemeingültigkeit der Aussage x < 3 ⇒ x < 5<br />

gezeigt.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

<strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> der Äquivalenzumformungen<br />

Beispiele<br />

Gr<strong>und</strong>lage: Aussageform<br />

Aussageform A(x,y,...) ist sprachliches Gebilde, welches<br />

min<strong>des</strong>tens eine Variable enthält <strong>und</strong> nach geeigneter<br />

Ersetzung in eine wahre oder falsche Aussage übergeht<br />

A(x) : √ x = 2, M = {x ∈ R : √ x = 2} = {4}<br />

B(x, y) : x + 10y = 8<br />

M = {(x, y) ∈ R 2 : x + 10y = 8} = {(k, (<br />

8 − k<br />

10 )) ∈ R2 , k ∈ R}<br />

Belegung für die eine Aussageform wahr wird, wird als<br />

Erfüllungsmenge M über der Gr<strong>und</strong>menge G n bezeichnet.<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Äquivalenz von Aussageformen<br />

Man bezeichnet zwei Aussageformen A(x,y,...) <strong>und</strong> B(x,y,...) unter<br />

der gleichen Gr<strong>und</strong>menge als äquivalent genau dann, wenn ihre<br />

Erfüllungsmengen übereinstimmen.<br />

Dementsprechend bezeichnet man eine Umformung einer<br />

Gleichung, die die Erfüllungsmenge nicht verändert als<br />

Äquivalenzumformung.<br />

Dazu gehören:<br />

Addition eines Terms <strong>und</strong><br />

Multiplikation eines Terms (ungleich Null) auf beiden Seiten<br />

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Logik Rahmenplan <strong>Logische</strong> <strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> Äquivalenzumformungen Beweise Bedingungen Zum Anfang Quellen<br />

Beweis<br />

Verallgemeinerung<br />

Satz<br />

Wendet man eine injektive Abbildung f auf beide Seiten einer<br />

Gleichung an, so bezeichnet man dies als Äquivalenzumformung.<br />

Beweis<br />

zu zeigen ist:<br />

Sei (x,y,..) eine Lösung der Gleichung h = j, mit h,j Terme,<br />

dann ist (x,y,...) eine Lösung der Gleichung f (h) = f (j).<br />

Es existieren keine Lösungen von f (h) = f (j), die nicht<br />

gleichzeitig Lösungen von h = j sind.<br />

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Beweis<br />

Zum Beweis<br />

Zum ersten Punkt: folgt direkt aus der Definition einer Funktion<br />

Zum zweiten Punkt: folgt direkt aus der Injektivität von f<br />

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Typische Schülerfehler<br />

Fehler<br />

Lösen von Gleichungssystemen über R<br />

Äquivalenzumformungen von Gleichungen über R<br />

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Typische Schülerfehler<br />

Lösungsmenge <strong>des</strong> Gleichungssystems<br />

Abbildung: Lösungsmenge dargestellt als Schnittmenge von Ebenen<br />

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Typische Schülerfehler<br />

Lösungsmenge <strong>des</strong> verändertem Gleichungssystems<br />

Abbildung: Lösungsmenge dargestellt als Schnittmenge von Ebenen<br />

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Typische Schülerfehler<br />

Erfahrungen<br />

Welche Erfahrungen habt ihr damit im Unterricht gemacht <strong>und</strong> wie<br />

seid ihr damit umgegangen?<br />

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Definition<br />

Beweis<br />

Eine endliche Kette von Umformungen, die mit Hilfe gültiger<br />

Schlussregeln durchgeführt werden <strong>und</strong> die von wahren bzw. als<br />

wahr angenommenen Aussagen (Prämissen) ausgehen <strong>und</strong> zu der<br />

Aussage A (Konklusion) führen, nennen wir Beweis der Aussage A.<br />

einige wichtige Beweisverfahren:<br />

direkter Beweis<br />

indirekter Beweis<br />

Beweis durch Kontraposition<br />

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Direkter Beweis<br />

Vorgehen<br />

Man geht von einer bereits bewiesenen oder als wahr<br />

angenommenen Voraussetzung aus, aus der mit Hilfe von gültigen<br />

Schlussregeln nach einer endlichen Anzahl von Schritten die<br />

Behauptung folgt.<br />

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Indirekter Beweis<br />

Vorgehen<br />

Die Implikation ” wenn A, dann B”kann auch mit Hilfe der<br />

Adjunktion <strong>und</strong> Negation dargestellt werden, wie schon vorher<br />

gesehen in Abschnitt ” Implikation”.<br />

A ⇒ B ⇔ B ∨ ¬A<br />

Die Implikation ist nicht nur dann wahr, wenn die Voraussetzung<br />

<strong>und</strong> die Behauptung wahr ist, sondern auch dann, wenn die<br />

Verneinung falsch ist.<br />

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Indirekter Beweis<br />

Kalkül<br />

Die Annahme für den indirekten Beweis gewinnen wir durch<br />

die Negation der Behauptung.<br />

Mit gültigen Schlussregeln schließen wir solange weiter, bis ein<br />

Widerspruch zur Voraussetzung oder zur Annahme sichtlich<br />

wird.<br />

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Indirekter Beweis<br />

Wahrheitstafel zur Verneinung der Implikation<br />

A B ¬A ¬B A ⇒ B ⇔ B ∨ ¬A ¬(A ⇒ B) ⇔ ¬B ∧ A<br />

w w f f w f<br />

w f f w f w<br />

f w w f w f<br />

f f w w w f<br />

Wir wissen, dass eine Aussage <strong>und</strong> ihre Negation nicht gleichzeitig<br />

wahr sein können. Daraus muss folgen, dass die Annahme falsch<br />

<strong>und</strong> die Negation der Annahme (Behauptung) wahr ist.<br />

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Kontraposition<br />

Beweis durch Kontraposition<br />

Achtung: Häufig mit dem indirekten Beweis verwechselt.<br />

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Kontraposition<br />

Wahrheitstabelle<br />

Wahrheitswerte<br />

A B ¬A ¬B A ⇒ B ⇔ B ∨ ¬A ¬B ⇒ A ⇔ ¬A ∨ B ¬(A ⇒ B) ⇔ ¬B ∧ A<br />

w w f f w w f<br />

w f f w f f w<br />

f w w f w w f<br />

f f w w w w f<br />

Erkenntnis: ¬B ⇒ ¬A ⇔ A ⇒ B<br />

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Kontraposition<br />

Erfahrungen<br />

Eigene Erfahrungen mit Beweisen im Schulalltag <strong>und</strong> zu Beginn<br />

<strong>des</strong> Studiums<br />

Welche Erfahrungen habt ihr beim Unterrichten von Beweisen<br />

gemacht?<br />

Würde euch eine solch theoretische Einführung zum Beginn<br />

<strong>des</strong> Studiums helfen mit Beweisen umzugehen?<br />

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Notwendige <strong>und</strong> Hinreichende Bedingung<br />

<strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong><br />

Notwendige Bedingung <strong>und</strong> hinreichende Bedingung sind<br />

Begriffe aus der Aussagenlogik.<br />

Unterscheidung zwischen notwendigen <strong>und</strong> hinreichenden<br />

Typen von Voraussetzungen<br />

Unterscheidung ermöglicht die genauere Einordnung von<br />

Schlussfolgerungen<br />

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Notwendige <strong>und</strong> Hinreichende Bedingung<br />

Notwendige Bedingung<br />

Notwendige Bedingung<br />

Eine notwendige Bedingung ist eine unersetzbare Voraussetzung,<br />

ohne die ein Ereignis nicht eintritt. Die Erfüllung der<br />

Voraussetzung garantiert jedoch nicht den Eintritt <strong>des</strong> Ereignisses.<br />

Umgangssprachlich wird eine notwendige Bedingung auch<br />

K.O.-Kriterium genannt<br />

Das heißt, wenn wir wissen, dass B nicht gilt, so kann auch A nicht<br />

gelten. Dies liegt daran, dass aus etwas Wahrem nichts Falsches folgen<br />

darf.<br />

Beispiel: Nur wer volljährig ist, darf an der Bun<strong>des</strong>tagswahl teilnehmen.<br />

Volljährigkeit ist eine notwendige Bedingung für das Wahlrecht zum<br />

Deutschen Bun<strong>des</strong>tag. Sie ist aber nicht allein entscheidend: man muss<br />

noch weitere notwendige Bedingungen erfüllen, z. B. die deutsche<br />

Staatsbürgerschaft besitzen.<br />

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Notwendige <strong>und</strong> Hinreichende Bedingung<br />

Hinreichende Bedingung<br />

Hinreichende Bedingung<br />

Eine hinreichende Bedingung ist eine Voraussetzung, bei deren<br />

Erfüllung Ereignis zwangsläufig eintritt <strong>und</strong> keine weiteren<br />

Voraussetzungen benötigt werden. Das Vorliegen <strong>des</strong> Ereignisses<br />

jedoch auch andere Ursachen haben, das heißt wenn das Ereignis<br />

vorliegt, ist es nicht zwingend, dass eine bestimmte hinreichende<br />

Bedingung erfüllt sein muss.<br />

Das heißt, wenn wir wissen, dass A gilt, so muss B gelten. Dies liegt<br />

daran, dass aus etwas Wahrem nichts Falsches folgen darf.<br />

Beispiel: Wenn es regnet, wird die Straße nass. Regen ist hinreichend<br />

(ausreichend) dafür, dass die Straße nass wird. Regen ist aber keine<br />

notwendige Bedingung hierfür, weil es auch andere Möglichkeiten gibt,<br />

eine Straße zu befeuchten, zum Beispiel durch besprengen mit einem<br />

Wasserschlauch.<br />

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Notwendige <strong>und</strong> Hinreichende Bedingung<br />

Notwendige <strong>und</strong> hinreichende Bedingungen für Extrema<br />

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Notwendige <strong>und</strong> Hinreichende Bedingung<br />

Notwendige <strong>und</strong> hinreichende Bedingungen für Extrema<br />

Eine notwendige Bedingung für die Existenz eines Extremums an<br />

der Stelle x0 ist das Vorliegen einer waagerechten Tangente, d. h.<br />

also f ′ (x0) = 0.<br />

Ist das auch schon hinreichend?<br />

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Notwendige <strong>und</strong> Hinreichende Bedingung<br />

Notwendige <strong>und</strong> hinreichende Bedingungen für Extrema<br />

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Notwendige <strong>und</strong> Hinreichende Bedingung<br />

Notwendige <strong>und</strong> hinreichende Bedingungen für Extrema<br />

Hinreichend wäre:<br />

f ′ (x0) = 0 <strong>und</strong> f ′′ (x0) < 0 für ein Maximum <strong>und</strong><br />

f ′ (x0) = 0 <strong>und</strong> f ′′ (x0) > 0 für ein Minimum.<br />

Wie man sieht ist die notwendige Bedingung in der hinreichenden<br />

Bedingung enthalten. Würde auch nur der Ausdruck f ′′ (x0) = 0<br />

ausreichen?<br />

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Lösung der Aufgaben<br />

Wason Selection Task<br />

These: Wenn die Karte auf einer Seite einen Vokal hat, dann hat<br />

sie auf der anderen Seite eine gerade Zahl.<br />

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Lösung der Aufgaben<br />

Wason Selection Task<br />

These: Wenn die Karte auf einer Seite einen Vokal hat, dann hat<br />

sie auf der anderen Seite eine gerade Zahl.<br />

Die Karten A <strong>und</strong> 7 müssen umgedreht werden, was den<br />

Schlussregeln Modus ponendo ponens bzw. Modus tollendo tollens<br />

entspricht.<br />

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Lösung der Aufgaben<br />

Die Verneinung<br />

Aufgabe: Verneine folgende Aussage!<br />

Der gegenwärtige König von Frankreich hat eine Glatze.<br />

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Lösung der Aufgaben<br />

Ausführliche Analyse <strong>des</strong> Problems<br />

Wir konnten uns in der Vergangenheit davon überzeugen, dass Aussagen wahr oder<br />

falsch sind. Wenn eine Aussage wahr ist, dann ist ihre Verneinung falsch; <strong>und</strong> wenn<br />

eine Aussage falsch ist, dann ist ihre Verneinung wahr. Eine dritte Möglichkeit gibt es<br />

nicht (Satz vom ausgeschlossenen Dritten, tertium non datur).<br />

Wie sieht es nun mit der Aussage ”Der gegenwärtige König von Frankreich hat eine<br />

Glatze“<strong>und</strong> ihrer intuitiven Verneinung ”Der gegenwärtige König von Frankreich hat<br />

keine Glatze“aus? Einer der beiden Sätze muss wahr sein, der andere falsch. Welcher<br />

ist wahr, welcher falsch?<br />

Geht man nun der Reihe nach alle Dinge durch, die eine Glatze haben, wird man unter<br />

ihnen den gegenwärtigen König von Frankreich nicht finden (denn Frankreich hat<br />

keinen König). Der Satz ”Der gegenwärtige König von Frankreich hat eine Glatze“wäre<br />

demnach falsch. Geht man alle Dinge durch, die keine Glatze haben, dann wird man<br />

jedoch auch nicht auf den gegenwärtigen König von Frankreich stoßen. Der Satz ”Der<br />

gegenwärtige König von Frankreich hat keine Glatze“wäre somit nicht weniger falsch!<br />

Wir stehen damit vor dem Problem, dass sowohl ein Satz als auch seine Verneinung<br />

falsch ist. Das ist nicht nur nicht einsichtig, sondern vor allem mit unserer logischen<br />

Sprache nicht verträglich.<br />

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Lösung der Aufgaben<br />

Ausführliche Lösung <strong>des</strong> Problems<br />

Auch hier entsteht das Problem aus einer falschen Analyse. Die Kennzeichnung der<br />

”<br />

gegenwärtige König von Frankreich“ist – wie jede Kennzeichnung – kein Eigenname.<br />

Der Satz ”Der gegenwärtige König von Frankreich hat eine Glatze“muss korrekt<br />

analysiert werden als Ës gibt genau ein Ding, das König von Frankreich ist, <strong>und</strong> dieses<br />

Ding hat eine Glatze“. Dieser Satz ist falsch.<br />

Wenn man diesen Satz verneint, kommt man zu Es ist nicht der Fall, dass es genau<br />

”<br />

ein Ding gibt, das gegenwärtiger König von Frankreich ist, <strong>und</strong> dass dieses Ding eine<br />

Glatze hat“. Diese Verneinung ist unproblematisch. Der Satz Der gegenwärtige König<br />

”<br />

von Frankreich hat keine Glatze“muss analysiert werden als Ës gibt genau ein Ding,<br />

das gegenwärtiger König von Frankreich ist, <strong>und</strong> dieses Ding hat keine Glatze“. Dieser<br />

Satz ist nicht die Verneinung <strong>des</strong> ersten Satzes! Die Möglichkeit, dass beide Sätze<br />

zugleich falsch sein können, ist daher kein Problem für unsere logische Sprache.<br />

Als Nebenprodukt von Russells Theorie der Kennzeichnungen fällt also die<br />

Beobachtung ab, dass die Verneinung von ”Der gegenwärtige König von Frankreich<br />

hat eine Glatze“keineswegs ”Der gegenwärtige König von Frankreich hat keine<br />

Glatze“lautet.[1]<br />

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Quellen<br />

Bertrand Russel: On Denoting –<br />

(http://www.jstor.org/pss/2248381)<br />

Berliner Rahmenlehrplan für die Sek<strong>und</strong>arstufe I – <strong>Mathematik</strong><br />

Berliner Rahmenlehrplan für die Sek<strong>und</strong>arstufe II –<br />

<strong>Mathematik</strong><br />

Georg Klaus: Moderne Logik (1972)<br />

D.Hilbert – W. Ackermann: Gr<strong>und</strong>züge der theoretischen Logik<br />

(1958)<br />

http://page.mi.fu-berlin.de/shinyinj/bkurs/Brueckenkurs.pdf<br />

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Spock<br />

Logic is the beginning of wisdom, not the end.<br />

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