bewijzen, redeneren en logica - Faculteit der Natuurwetenschappen ...
bewijzen, redeneren en logica - Faculteit der Natuurwetenschappen ...
bewijzen, redeneren en logica - Faculteit der Natuurwetenschappen ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
1<br />
BEWIJZEN, REDENEREN EN LOGICA<br />
Het onstaan van <strong>bewijz<strong>en</strong></strong><br />
Systematische <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> in e<strong>en</strong> sam<strong>en</strong>hang<strong>en</strong>d systeem ontstond<strong>en</strong> voor het eerst in de<br />
Griekse wiskunde vanaf 500 voor Christus. Zo heeft Euclides' "Elem<strong>en</strong>t<strong>en</strong>" vele eeuw<strong>en</strong><br />
het on<strong>der</strong>wijs bepaald, <strong>en</strong> ook e<strong>en</strong> bre<strong>der</strong>e culturele invloed uitgeoef<strong>en</strong>d, met de ie<strong>der</strong>e<strong>en</strong><br />
bek<strong>en</strong>de strakke opzet van 'gegev<strong>en</strong>, stelling, bewijs' voor meetkundig <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong>, waar<br />
e<strong>en</strong> ou<strong>der</strong>e g<strong>en</strong>eratie Ne<strong>der</strong>lan<strong>der</strong>s nog als adolesc<strong>en</strong>t<strong>en</strong> in is getraind. Dat <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong><br />
vindt plaats vanuit e<strong>en</strong> van te vor<strong>en</strong> gegev<strong>en</strong> stelsel van axioma's <strong>en</strong> definities – zoals<br />
Definities:<br />
E<strong>en</strong> lijn is l<strong>en</strong>gte zon<strong>der</strong> breedte.<br />
Lijn<strong>en</strong> zijn ev<strong>en</strong>wijdig als ze elkaar ook bij verl<strong>en</strong>ging nooit snijd<strong>en</strong>.<br />
Axioma's:<br />
Tuss<strong>en</strong> elk tweetal punt<strong>en</strong> loopt e<strong>en</strong> lijn.<br />
Om elk punt met gegev<strong>en</strong> lijnstuk loopt e<strong>en</strong> cirkel met dat lijnstuk als straal.<br />
Door elk punt niet op e<strong>en</strong> lijn loopt één lijn parallel aan de gegev<strong>en</strong> lijn.<br />
Dit laatste is het beroemde 'Parallell<strong>en</strong>postulaat' dat tweeduiz<strong>en</strong>d jaar na Euclides nog<br />
werd bediscussieerd. Daarnaast bevatt<strong>en</strong> de "Elem<strong>en</strong>t<strong>en</strong>" ook Algem<strong>en</strong>e Begripp<strong>en</strong> als<br />
Optell<strong>en</strong> van gelijk<strong>en</strong> bij gelijk<strong>en</strong> levert gelijk<strong>en</strong>.<br />
Dit zijn algem<strong>en</strong>e regels. Hiermee word<strong>en</strong> dan stelling<strong>en</strong> afgeleid, zoals de allereerste:<br />
Boek I.1 Bij elk lijnstuk is er e<strong>en</strong> gelijkzijdige driehoek met dat lijnstuk als zijde.<br />
De tek<strong>en</strong>ing maakt het bewijs duidelijk, <strong>en</strong> u kunt zelf zi<strong>en</strong> welke axioma's zijn gebruikt,<br />
uitgaande van het gegev<strong>en</strong> lijstuk AB:<br />
C<br />
A<br />
B<br />
Overig<strong>en</strong>s is deze Stelling ook e<strong>en</strong> z.g. constructie: Euclides d<strong>en</strong>kt eig<strong>en</strong>lijk heel mo<strong>der</strong>n<br />
<strong>en</strong> geeft e<strong>en</strong> soort praktische algorithm<strong>en</strong> om meetkundige object<strong>en</strong> te vind<strong>en</strong>.<br />
Vanaf dit e<strong>en</strong>voudige begin ontwikkelt Euclides steeds ingewikkel<strong>der</strong> stelling<strong>en</strong>. Nummer<br />
I.47 is de beroemde Stelling van Pythagoras. Deze heette in de Middeleeuw<strong>en</strong> de 'Pons<br />
Asinorum' (d.w.z. ezelsbrug): daar haakt<strong>en</strong> namelijk de dommere leerling<strong>en</strong> definitief af.
2<br />
Stelling<strong>en</strong> in latere boek<strong>en</strong> zijn bijv. dat er hoogst<strong>en</strong>s 5 regelmatige veelvlakk<strong>en</strong> zijn in<br />
drie dim<strong>en</strong>sies, iets waarnaar reeds is verwez<strong>en</strong> in het college over symmetrie.<br />
E<strong>en</strong> interessante historische vraag is waarom de Griekse wiskundig<strong>en</strong> eig<strong>en</strong>lijk systematisch<br />
ging<strong>en</strong> <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> (dit ded<strong>en</strong> Egypt<strong>en</strong>ar<strong>en</strong> <strong>en</strong> Babyloniërs niet). Er bestaan hierover<br />
vele theorieën, van wet<strong>en</strong>schappelijke tot politieke, maar ge<strong>en</strong> sluit<strong>en</strong>de verklaring.<br />
Geschied<strong>en</strong>is van bewijspatron<strong>en</strong><br />
Wiskundige bewijspatron<strong>en</strong> zijn er natuurlijk ook in an<strong>der</strong>e gebied<strong>en</strong>. E<strong>en</strong> voorbeeld is de<br />
rek<strong>en</strong>kunde, waar Euclides ook al belangrijke method<strong>en</strong> bevat, zoals het 'Euclidisch<br />
algoritme' voor het bepal<strong>en</strong> van de grootste gem<strong>en</strong>e deler van twee getall<strong>en</strong> m, n. Dit is de<br />
volg<strong>en</strong>de procedure (in mo<strong>der</strong>n jargon – Euclides zelf formuleerde alles meetkundig,<br />
volg<strong>en</strong>s de wiskundig-filosofische mode van zijn tijd):<br />
Euclidisch Algoritme<br />
Bepaal de rest van m by deling door n:<br />
m mod n<br />
Als m mod n = 0, dan is n e<strong>en</strong> deler van m, <strong>en</strong> klaar: GGD(m, n) = n<br />
An<strong>der</strong>s is m mod n e<strong>en</strong> getal r < n, <strong>en</strong> we stell<strong>en</strong> n:= r, m:= n.<br />
Herhaal in dit laatste geval de procedure.<br />
Euclides bewijst dat dit altijd eindigt met de correcte waarde voor GGD(m, n). Misschi<strong>en</strong><br />
wilt u dat zelf ook e<strong>en</strong>s prober<strong>en</strong>. Dit maakt Euclides tot schutspatroon voor zowel de<br />
wiskundig<strong>en</strong> als de informatici, hetge<strong>en</strong> de naamgeving "Euclides" verklaart voor het<br />
gebouw van de voormalige faculteit FWI aan de Plantage Mui<strong>der</strong>gracht 24. E<strong>en</strong> an<strong>der</strong><br />
beroemd rek<strong>en</strong>kundig bewijspatroon is natuurlijke inductie, zoals reeds uitgelegd in het<br />
parallelcollege, hetge<strong>en</strong> vaak wordt toegeschrev<strong>en</strong> aan Johann Bernoulli (RUG, 1700).<br />
In feite komt ook deze methode reeds bij Euclides voor, in de equival<strong>en</strong>te vorm<br />
Kleinste Getal Principe<br />
Voor elke eig<strong>en</strong>schap van natuurlijke getall<strong>en</strong> E geldt: als er e<strong>en</strong> n is met E(n),<br />
dan is er e<strong>en</strong> kleinste getal met die eig<strong>en</strong>schap: e<strong>en</strong> n met E(n) ¡ ¬¢ m
3<br />
E<strong>en</strong> interessante vraag is overig<strong>en</strong>s de volg<strong>en</strong>de. Kom<strong>en</strong> er wel nieuwe bewijsfigur<strong>en</strong> bij<br />
in de wiskunde? Natuurlijk kom<strong>en</strong> er steeds nieuwe theorieën bij, naarmate meer<br />
wiskundige structur<strong>en</strong> word<strong>en</strong> ontdekt <strong>en</strong> on<strong>der</strong>zocht. E<strong>en</strong> voorbeeld is de al eer<strong>der</strong><br />
g<strong>en</strong>oemde topologie in het begin van de 20ste eeuw, die ruimtelijke structur<strong>en</strong> bloot legt<br />
die in de klassieke meetkunde <strong>en</strong> analyse niet expliciet war<strong>en</strong> on<strong>der</strong>k<strong>en</strong>d. En ook de<br />
verzameling<strong>en</strong>leer aan het eind van de 19de eeuw was zo'n geval. Red<strong>en</strong>er<strong>en</strong> daarover<br />
betreft doorgaans axioma's voor het gedrag van die structur<strong>en</strong>. Maar kom<strong>en</strong> er ook<br />
nieuwe method<strong>en</strong> bij in het ver<strong>der</strong> ontwikkel<strong>en</strong> van consequ<strong>en</strong>ties uit die axioma's? E<strong>en</strong><br />
kandidaat is Cantor's diagonaalargum<strong>en</strong>t, dat wij zag<strong>en</strong> in het bewijs dat de reële getall<strong>en</strong><br />
niet aftelbaar zijn. Het ontstond in de verzameling<strong>en</strong>leer, maar inmiddels bewijst het ook<br />
fundam<strong>en</strong>tele resultat<strong>en</strong> in <strong>logica</strong> <strong>en</strong> informatica, zoals we later in het college zull<strong>en</strong> zi<strong>en</strong>.<br />
Groei<strong>en</strong>de precisie <strong>en</strong> abstractie<br />
Is Euclides sluit<strong>en</strong>d? Eeuw<strong>en</strong>lang zijn de Elem<strong>en</strong>t<strong>en</strong> in brede kring (zowel in de Grieks-<br />
Romeinse als vroege Arabische tijd) geaccepteerd als het toonbeeld van exactheid, hoewel<br />
van meet af aan discussie is geweest on<strong>der</strong> experts over extra principes die nodig zijn. Zo<br />
veron<strong>der</strong>stelt mete<strong>en</strong> al het eerste bewijs dat de getrokk<strong>en</strong> cirkels e<strong>en</strong> snijpunt C hebb<strong>en</strong>.<br />
Maar waarom zou dat zo moet<strong>en</strong> zijn? In de 19de eeuw werd<strong>en</strong> systematisch ver<strong>der</strong>e<br />
principes toegevoegd om de gat<strong>en</strong> te dicht<strong>en</strong>, zoals<br />
Axioma van Pasch<br />
Elke lijn door e<strong>en</strong> hoekpunt van e<strong>en</strong> driehoek <strong>en</strong><br />
e<strong>en</strong> punt in het inw<strong>en</strong>dige snijdt de overstaande zijde.<br />
B<br />
A<br />
D<br />
E!<br />
C<br />
Ou<strong>der</strong>e discussie betrof wél aanwezige axioma's. Met name leek het Parallell<strong>en</strong>postulaat<br />
P5 door zijn 'oneindige' karakter veel wiskundig<strong>en</strong> min<strong>der</strong> evid<strong>en</strong>t dan de overige vier.<br />
In de 18de eeuw trachtte m<strong>en</strong> dit postulaat uit de overige te <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> door zijn negatie<br />
¬P5 aan te nem<strong>en</strong> <strong>en</strong> dan e<strong>en</strong> contradictie af te leid<strong>en</strong>. Dit is uiteindelijk niet gelukt, <strong>en</strong><br />
m<strong>en</strong> ontdekte de z.g. 'niet-Euclidische meetkundes' die an<strong>der</strong>e g<strong>en</strong>res ruimte beschrijv<strong>en</strong>.<br />
Dit zijn zeer abstracte theorieën waarbij gewone ruimtelijke intuïtie met plaatjes min<strong>der</strong><br />
helpt, waardoor str<strong>en</strong>ge bewijsvoering belangrijker wordt als garantie voor correctheid.<br />
E<strong>en</strong> soortgelijke w<strong>en</strong>ding naar abstracte theorievorming is in de 19de eeuw te zi<strong>en</strong> in de<br />
analyse, waar eer<strong>der</strong>e intuïtieve method<strong>en</strong> van Euler soms <strong>en</strong>igszins 'shaky' blek<strong>en</strong>,<br />
hetge<strong>en</strong> leidde tot het werk van de grote theoretici als Cauchy <strong>en</strong> Weierstrasz. Ook hier<br />
gold: abstracte theorieën, bijv. van gedrag van reëelwaardige functies, hebb<strong>en</strong> voor hun<br />
consist<strong>en</strong>tie meer 'tucht' nodig van str<strong>en</strong>ge bewijsvoering. Ook de groep<strong>en</strong>theorie van
4<br />
Galois past geheel <strong>en</strong> al in deze tr<strong>en</strong>d naar abstractie. Hierbij 'kantelde' langzamerhand<br />
het beeld van e<strong>en</strong> wiskundige theorie als beschrijving van één uniek stukje werkelijkheid<br />
naar de beschrijving van e<strong>en</strong> klasse abstracte structur<strong>en</strong> die zich overal kunn<strong>en</strong> voordo<strong>en</strong>.<br />
Bijv. Hilbert's "Grundlag<strong>en</strong> <strong>der</strong> Geometrie" bevat e<strong>en</strong> beroemde beginpassage waarin de<br />
auteur zegt dat 'punt<strong>en</strong>, lijn<strong>en</strong> <strong>en</strong> vlakk<strong>en</strong>' elke willekeurige verzameling object<strong>en</strong> zijn die<br />
aan de gegev<strong>en</strong> axioma's voldo<strong>en</strong>. Deze kanteling in het d<strong>en</strong>k<strong>en</strong> over e<strong>en</strong> wiskundige<br />
theorie weerspiegelt zich ook in het taalgebruik. Was "Ruimte" e<strong>en</strong> eig<strong>en</strong>naam voor e<strong>en</strong><br />
uniek object tot 1800, teg<strong>en</strong>woordig sprek<strong>en</strong> wiskundig<strong>en</strong> van alle mogelijke "ruimtes":<br />
de eig<strong>en</strong>naam is e<strong>en</strong> zelfstandig naamwoord geword<strong>en</strong> dat e<strong>en</strong> meervoud toelaat.<br />
Het nut van <strong>bewijz<strong>en</strong></strong><br />
Bewijz<strong>en</strong> hebb<strong>en</strong> dus velerlei nut. Ze gev<strong>en</strong> e<strong>en</strong> dwing<strong>en</strong>de rechtvaardiging voor e<strong>en</strong><br />
wiskundig inzicht: de eerste associatie voor veel m<strong>en</strong>s<strong>en</strong>. Maar <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> zorg<strong>en</strong> ook voor<br />
systematiek; ze br<strong>en</strong>g<strong>en</strong> wiskundige bewering<strong>en</strong> met elkaar in verband, <strong>en</strong> suggerer<strong>en</strong><br />
nieuwe inzicht<strong>en</strong> door g<strong>en</strong>eralizaties, id<strong>en</strong>tificer<strong>en</strong> van belangrijke hulpbewering<strong>en</strong>, e.d.<br />
Wiskunde vormt e<strong>en</strong> steeds maar groei<strong>en</strong>d spinneweb van definities <strong>en</strong> bewering<strong>en</strong>,<br />
verbond<strong>en</strong> door <strong>bewijz<strong>en</strong></strong>. Bewijz<strong>en</strong> di<strong>en</strong><strong>en</strong> ook to<strong>en</strong>em<strong>en</strong>de abstractie, doordat ze de<br />
algem<strong>en</strong>e vorm vind<strong>en</strong> achter het <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> over e<strong>en</strong> specifieke structurr, <strong>en</strong> daarmee<br />
lever<strong>en</strong> ze e<strong>en</strong> 'd<strong>en</strong>kpatoon' dat vaak ook in heel an<strong>der</strong>e structuurverwante situaties<br />
toepasbaar is. En de functies van <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> groei<strong>en</strong> zelfs. Zo zijn Euclides' <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> vaak<br />
tegelijkertijd concrete constructies om e<strong>en</strong> meetkundig object te mak<strong>en</strong>. In de mo<strong>der</strong>ne<br />
<strong>logica</strong> <strong>en</strong> informatica is dit aspect systematisch uitgewerkt tot formele system<strong>en</strong> die uit<br />
(geschikte) <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> voor het bestaan van e<strong>en</strong> wiskundig object automatisch algorithm<strong>en</strong><br />
of programma's mak<strong>en</strong> om dat object ook daadwerkelijk te berek<strong>en</strong><strong>en</strong>.<br />
Grondslag<strong>en</strong>on<strong>der</strong>zoek van de wiskunde<br />
Ondanks de groei<strong>en</strong>de precisie van de 19de eeuwse wiskunde dok<strong>en</strong> aan het eind toch<br />
nog teg<strong>en</strong>sprak<strong>en</strong> op in zulke fundam<strong>en</strong>tele theorieën als de verzameling<strong>en</strong>leer, waar veel<br />
an<strong>der</strong>e wiskunde op is gebaseerd. E<strong>en</strong> bek<strong>en</strong>d probleem is de Russell Paradox over de<br />
verzameling {x x¥ | x}, die we in min<strong>der</strong> virul<strong>en</strong>te vorm als kapperspuzzle aantroff<strong>en</strong>.<br />
Hiermee ontstond de w<strong>en</strong>s deze problem<strong>en</strong> 'eins für allemal aus <strong>der</strong> Welt zu schaff<strong>en</strong>',<br />
zoals Hilbert dat uitdrukte. 'Hilbert's Programma' (1900) behelsde het <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> van de<br />
consist<strong>en</strong>tie van e<strong>en</strong> 'opgeschoonde' wiskunde – <strong>en</strong> dat zelf weer met wiskundige<br />
middel<strong>en</strong>. Kan zoiets eig<strong>en</strong>lijk wel? Wordt vervolgd in Week 5 van dit college…<br />
Logica: red<strong>en</strong>eerpatron<strong>en</strong><br />
Euclides' periode van de klassieke Oudheid (ruwweg rond 300 v.Chr.) zag ook de<br />
geboorte van de <strong>logica</strong> bij Aristoteles <strong>en</strong> de Stoicijnse filosof<strong>en</strong>, als systematische studie<br />
van bewijspatron<strong>en</strong> in de wiskunde, maar ook gewoon <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> in filosofie <strong>en</strong> politiek.
©<br />
5<br />
Er wordt zelfs wel beweerd dat Euclides' eig<strong>en</strong> terminologie uit de debatsfeer komt. Het<br />
woord 'axioma' betek<strong>en</strong>t letterlijk 'wat gevraagd wordt' <strong>en</strong> dit slaat op de uitgangspunt<strong>en</strong><br />
waarvan m<strong>en</strong> e<strong>en</strong> teg<strong>en</strong>stan<strong>der</strong> 'for the sake of argum<strong>en</strong>t' verzoekt deze niet ter discussie<br />
te stell<strong>en</strong>. Zowat het omgekeerde dus van de rotsvaste bijklank die dit woord nu voor ons<br />
heeft, hoewel veel dichter bij de bov<strong>en</strong>g<strong>en</strong>oemde abstracte interpretatie als 'postulat<strong>en</strong>'.<br />
Zo is het volg<strong>en</strong>de g<strong>en</strong>re red<strong>en</strong>eerpatron<strong>en</strong> al bek<strong>en</strong>d sinds de Oudheid:<br />
A¦<br />
A§<br />
B, ¬A dus B geldig<br />
B, A dus B geldig<br />
A§<br />
A§<br />
B, ¬A dus ¬B ongeldig<br />
B, ¬B dus ¬A geldig<br />
Dat het <strong>der</strong>de ongeldig is kunn<strong>en</strong> we zi<strong>en</strong> aan e<strong>en</strong> wiskundig teg<strong>en</strong>voorbeeld:<br />
Als x >5, dan x>3 geldt voor alle getall<strong>en</strong> x. Dus i.h.b.: als 4>5, dan 4>3.<br />
Maar k<strong>en</strong>nelijk niet 4>5. Toch geldt wel 4>3.<br />
Maar ook het alledaagse lev<strong>en</strong> geeft teg<strong>en</strong>voorbeeld<strong>en</strong>. 'Als u de trein neemt, dan komt u<br />
in Amsterdam'. Stel ver<strong>der</strong> 'U neemt de trein niet'. Er hoeft dan helemaal niet te geld<strong>en</strong><br />
dat u niet in Amsterdam komt, want misschi<strong>en</strong> fietst, loopt, of vliegt u erhe<strong>en</strong>.<br />
E<strong>en</strong> an<strong>der</strong> bek<strong>en</strong>d geldig red<strong>en</strong>eerpatroon is 'Bewijs uit het ongerijmde'. Dit werd<br />
gebruikt in het bewijs dat de reële getall<strong>en</strong> niet aftelbaar zijn: "stel dat e<strong>en</strong> lijst wel e<strong>en</strong><br />
aftelling was van R, dan volgt e<strong>en</strong> teg<strong>en</strong>spraak". Het patroon hier is:<br />
A § (B ¨ ¬B) dus ¬A<br />
De geschied<strong>en</strong>is van de niet-euclidische meetkunde toonde de geldige variant<br />
¬A § (B ¨ ¬B) dus A<br />
Dit zijn allemaal red<strong>en</strong>eerpatron<strong>en</strong> met Boolese operaties. Soortgelijke patron<strong>en</strong> voor<br />
kwantor<strong>en</strong> zijn de klassieke syllogism<strong>en</strong> van Aristoteles, zoals<br />
Alle A zijn B, alle B zijn C dus Alle A zijn C<br />
Sommige A zijn B, ge<strong>en</strong> B zijn C dus Niet alle A zijn C<br />
Geldige gevall<strong>en</strong> met herhaalde kwantor<strong>en</strong> zijn patron<strong>en</strong> als:<br />
Iemand houdt van ie<strong>der</strong>e<strong>en</strong> dus Ie<strong>der</strong>e<strong>en</strong> wordt door iemand bemind<br />
x y Rxy dus y © x Rxy<br />
Het omgekeerde patroon is ongeldig. Ie<strong>der</strong> wordt bemind door zijn moe<strong>der</strong> (hop<strong>en</strong> we),<br />
maar er hoeft niemand te zijn die ie<strong>der</strong>e<strong>en</strong> bemint (behalve misschi<strong>en</strong> de Maagd Maria).<br />
Of weer e<strong>en</strong> teg<strong>en</strong>voorbeeld in de wiskunde: voor elk natuurlijk getal is er e<strong>en</strong> groter<br />
getal, maar er is ge<strong>en</strong> getal dat groter is dan elk getal.
6<br />
Wiskundige taal, ook voor red<strong>en</strong>eerpatron<strong>en</strong><br />
Om red<strong>en</strong>eerpatron<strong>en</strong> expliciet te mak<strong>en</strong> hebb<strong>en</strong> we weer taal nodig. Hiervoor kunn<strong>en</strong> we<br />
uitstek<strong>en</strong>d de wiskundige taal nem<strong>en</strong> van Week 1 <strong>en</strong> 2. De opbouw daarvan was met<br />
Basisbewering<strong>en</strong><br />
Boolese operaties<br />
Kwantor<strong>en</strong><br />
s=t, s
7<br />
1 Jan komt als Marie of Anne (M komt A) J<br />
2 Anne komt als Marie niet komt ¬M A<br />
3 Als Anne komt, dan komt Jan niet A ¬J<br />
E<strong>en</strong> oplossing. Als Anne komt, dan komt Marie of Anne, dus dan komt Jan (met 1).<br />
Maar met 3: Jan komt niet: teg<strong>en</strong>spraak. Dus Anne komt niet. Met 2 dan: Marie komt<br />
wel. Dan komt dus Marie of Anne, <strong>en</strong> weer met 1: Jan komt. De red<strong>en</strong>eerstapp<strong>en</strong> zijn hier<br />
precies te bepal<strong>en</strong>: <strong>en</strong> ze blijk<strong>en</strong> grosso modo hetzelfde als voor wiskundig <strong>bewijz<strong>en</strong></strong>!<br />
Nog maar e<strong>en</strong> voorbeeld, uit de Nationale Wet<strong>en</strong>schapsquiz 2001:<br />
"Jantje zegt dat Pietje liegt. Pietje zegt dat Klaasje liegt.<br />
Klaasje zegt dat Jantje <strong>en</strong> Pietje lieg<strong>en</strong>. Wie liegt er wel, <strong>en</strong> wie niet?"<br />
We gev<strong>en</strong> dit weer als:<br />
J ¬P, P ¬K, K (¬J ¬P)<br />
Oplossing: J <strong>en</strong> K onwaar, P waar. Vind zelf de propositionele bewijsstapp<strong>en</strong>!<br />
Kwantor<strong>logica</strong><br />
Dit systeem is ingewikkel<strong>der</strong> dan de propositie<strong>logica</strong>, maar ess<strong>en</strong>tieel voor wiskunde <strong>en</strong><br />
gewoon <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong>. We gev<strong>en</strong> slechts <strong>en</strong>kele voorbeeld<strong>en</strong>. Geldige patron<strong>en</strong> omvatt<strong>en</strong><br />
x (x) (t) voor elk object t<br />
x y Rxy<br />
x y Rxy<br />
<br />
<br />
x (Px Qx) x Px x Qx<br />
y x Rxy<br />
y x Rxy<br />
<br />
<br />
Ongeldig zijn bijv.<br />
y x Rxy<br />
x (Px Qx) x Px x Qx<br />
x y Rxy<br />
U zult weinig moeite hebb<strong>en</strong> dit in te zi<strong>en</strong>. Lastiger wordt het al met an<strong>der</strong>e kwantor<strong>en</strong><br />
besprok<strong>en</strong> in Week 1. Lat<strong>en</strong> we e<strong>en</strong>s schrijv<strong>en</strong><br />
!x (x) 'er is precies één x met '<br />
Geldt nu de gevolgtrekking !x !y Rxy !y !x Rxy ?<br />
E<strong>en</strong> typisch voorbeeld van <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> met kwantor<strong>en</strong> (<strong>en</strong> Boolese operator<strong>en</strong>) is dit<br />
voorbeeld van Russell over e<strong>en</strong> dorpskapper (rec<strong>en</strong>t nog actueel in Afghanistan):<br />
Er is niemand die precies de niet zelf-scheer<strong>der</strong>s scheert<br />
¬ x y (Sxy ¬Syy)
8<br />
Bewijs<br />
Stel dat wel x y (Sxy ¬Syy). Zeg, r is zo'n x. Daarvoor geldt dan:<br />
y (Sry ¬ Syy). Dus dan zeker voor r zelf: Srr ¬ Srr Maar elke bewering van<br />
<br />
de vorm P ¬P is e<strong>en</strong> teg<strong>en</strong>spraak in propositie<strong>logica</strong>! Dus is de aanname weerlegd.<br />
In wez<strong>en</strong> hetzelfde logisch patroon treff<strong>en</strong> we aan als we de precieze structuur nagaan van<br />
Cantor's bewijs dat de machtsverzameling P(x) nooit e<strong>en</strong> bijectie heeft met x zelf.<br />
Formele wiskundige theorieën<br />
Wiskundig <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> in de praktijk is e<strong>en</strong> m<strong>en</strong>gsel van e<strong>en</strong> beroep op axioma's <strong>en</strong><br />
logische stapp<strong>en</strong>. Om dat eerste goed weer te gev<strong>en</strong> is niet alle<strong>en</strong> algem<strong>en</strong>e <strong>logica</strong> nodig,<br />
maar ook e<strong>en</strong> volledige formele axiomatizering van de betreff<strong>en</strong>de wiskundige theorie.<br />
E<strong>en</strong> voorbeeld is de formele rek<strong>en</strong>kunde (Peano, rond 1900), waarin het eer<strong>der</strong>e<br />
bewijsprincipe van natuurlijke inductie voorkomt als het wiskundige axioma<br />
( (0) x ( (x) !" (x+1)) ! x (x)<br />
Ev<strong>en</strong>zo is Cantors' verzameling<strong>en</strong>leer geformalizeer door Zermelo <strong>en</strong> Fra<strong>en</strong>kel, waarbij<br />
de c<strong>en</strong>trale axioma's het bestaan van allerlei verzameling<strong>en</strong> {x | (x)} garan<strong>der</strong><strong>en</strong> voor<br />
geschikte condities . Formele <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> voor stelling<strong>en</strong> zijn dan eindige ket<strong>en</strong>s van hele<br />
kleine logische bewijsstapp<strong>en</strong>, met hier <strong>en</strong> daar e<strong>en</strong> beroep op e<strong>en</strong> axioma.<br />
Logische bewijssystem<strong>en</strong><br />
Er bestaan vele meer precieze logische bewijssystem<strong>en</strong>. Eén daarvan staat in de<br />
uitgebreide eer<strong>der</strong>e versie van dit Hoofdstuk, de z.g. 'sematische tableaus' (bedacht<br />
door onze stadg<strong>en</strong>oot Beth, 1955). An<strong>der</strong>e zijn meer als wiskundige bewijssystem<strong>en</strong>,<br />
met axioma's <strong>en</strong> regels. De homepage van de cursus zal meer voorbeeld<strong>en</strong> aandrag<strong>en</strong>.<br />
Misschi<strong>en</strong> is nog aardig te vermeld<strong>en</strong> dat de eerste volledige versie van de meetkunde<br />
met Hilbertse precizie voor de wiskundige axioma's <strong>en</strong> e<strong>en</strong> volledig expliciet logisch<br />
bewijssysteem werd gegev<strong>en</strong> door Tarski in de jar<strong>en</strong> 1940. To<strong>en</strong> bleek on<strong>der</strong> meer dat er<br />
zelfs e<strong>en</strong> mechanische procedure bestaat om de correctheid van elem<strong>en</strong>taire meetkundige<br />
stelling<strong>en</strong> te test<strong>en</strong> – die inmiddels op de computer is geïmplem<strong>en</strong>teerd.<br />
Geldigheid, correctheid <strong>en</strong> volledigheid<br />
Geldigheid van e<strong>en</strong> gevolgtrekking P 1<br />
, .., P k<br />
# C definiër<strong>en</strong> we als volgt:<br />
in elke situatie met P 1<br />
, .., P k<br />
waar is ook C waar<br />
Dit drukt uit dat de waarheid van de uitgangspunt<strong>en</strong> altijd die van de conclusie afdwingt.<br />
Voor ongeldigheid hoev<strong>en</strong> we dus slechts één situatie te vind<strong>en</strong> waar de premiss<strong>en</strong> P i<br />
allemaal waar zijn, <strong>en</strong> de conclusie C niet. Dit zijn de eer<strong>der</strong>e 'teg<strong>en</strong>voorbeeld<strong>en</strong>'.<br />
Hiermee hebb<strong>en</strong> we het begrip geldig <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> in principe omschrev<strong>en</strong>. E<strong>en</strong> specifiek<br />
logisch bewijsssyteem kan m<strong>en</strong> dan zi<strong>en</strong> als e<strong>en</strong> voorstel om, beperkt tot e<strong>en</strong> bepaalde taal
9<br />
met e<strong>en</strong> zeker aantal logische begripp<strong>en</strong> (Boolese operaties, kwantor<strong>en</strong>, e.d.), deze<br />
geldige gevolgtrekking<strong>en</strong> meer concreet te beschrijv<strong>en</strong>. Hierbij spel<strong>en</strong> twee belangrijke<br />
noties e<strong>en</strong> rol, die ook veel algem<strong>en</strong>er voorkom<strong>en</strong> in de informatica <strong>en</strong> el<strong>der</strong>s:<br />
Correctheid van e<strong>en</strong> bewijssysteem:<br />
Elke bewijsbare gevolgtrekking is geldig.<br />
Volledigheid van e<strong>en</strong> bewijssysteem:<br />
Elke geldige gevolgtrekking is bewijsbaar.<br />
In e<strong>en</strong> juridische analogie: het gaat om 'The whole truth, and nothing but the truth'. Voor<br />
equationele <strong>logica</strong>, propositie<strong>logica</strong> <strong>en</strong> kwantor<strong>en</strong><strong>logica</strong> zijn diverse correcte <strong>en</strong> volledige<br />
system<strong>en</strong> bek<strong>en</strong>d. Dit slaat echter slechts op de logische compon<strong>en</strong>t! Het wil nog niet<br />
zegg<strong>en</strong> dat die logische system<strong>en</strong> ook alle ware wiskundige bewering<strong>en</strong> producer<strong>en</strong><br />
wanneer we ze e<strong>en</strong> wiskundig axioma-systeem meegev<strong>en</strong>. In College 5 zull<strong>en</strong> we zi<strong>en</strong> dat<br />
dit zelfs niet altijd kan: dit is Gödel's beroemde Onvolledigheidsstelling.<br />
Computer-<strong>bewijz<strong>en</strong></strong><br />
Logische bewijssystem<strong>en</strong> zijn volledig expliciet, <strong>en</strong> dus in principe programmeerbaar.<br />
In<strong>der</strong>daad bestaan allerlei automatische stellingbewijzers voor wiskundige stelling<strong>en</strong>.<br />
Deze word<strong>en</strong> gebruikt voor elke taak die is op te vatt<strong>en</strong> als e<strong>en</strong> afleidingsproces, zoals:<br />
Red<strong>en</strong>er<strong>en</strong> van experts (rechters, arts<strong>en</strong>),<br />
Ontled<strong>en</strong> van natuurlijke taal,<br />
'Logisch programmer<strong>en</strong>' (PROLOG).<br />
In zulke concrete situaties kunn<strong>en</strong> ook nog ver<strong>der</strong>e eig<strong>en</strong>aardighed<strong>en</strong> aan het licht tred<strong>en</strong>.<br />
E<strong>en</strong> aardig voorbeeld is juridisch <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> – naast de wiskunde e<strong>en</strong> van de oudste<br />
bronn<strong>en</strong> van systematische bewijsvoering in onze cultuur.<br />
In de rechtszaal Drie person<strong>en</strong> word<strong>en</strong> verdacht bij e<strong>en</strong> moord, <strong>en</strong> het volg<strong>en</strong>de<br />
bewijsmateriaal ligt ter tafel – wellicht op grond van getuig<strong>en</strong>verklaring<strong>en</strong>:<br />
(1) A was aanwezig of B $ A B<br />
(2) A was aanwezig of C $ A C<br />
(3) C is e<strong>en</strong> maatje van A % A C<br />
(4) incompabiliteit (A & C) % ¬B<br />
De aanklager beweert nu:<br />
De advocaat zegt daar<strong>en</strong>teg<strong>en</strong>:<br />
"A was aanwezig!"<br />
"Nee, dat hoeft niet."<br />
Let op het verschil in bewijslast. De aanklager moet e<strong>en</strong> bewijs gev<strong>en</strong> van A uit de<br />
gegev<strong>en</strong>s. De advokaat hoeft daar<strong>en</strong>teg<strong>en</strong> alle<strong>en</strong> de consist<strong>en</strong>tie aan te ton<strong>en</strong> van de 4<br />
gegev<strong>en</strong>s <strong>en</strong> de bewering ' A. (Dit is de logische zin van het Romeinse rechtsprincipe
10<br />
van 'onschuldig zijn tot het teg<strong>en</strong>deel is bewez<strong>en</strong>'.) Hiertoe volstaat e<strong>en</strong> of an<strong>der</strong><br />
sc<strong>en</strong>ario: de advocaat hoeft niet te <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> dat A het niet gedaan heeft.<br />
Wie kan in deze gegev<strong>en</strong> situatie winn<strong>en</strong>: de aanklager of de advocaat? (Deze terminologie<br />
is niet toevallig: argum<strong>en</strong>tatie heeft vaak iets weg van e<strong>en</strong> 2-speler spel! Zie College 7.)<br />
Overig<strong>en</strong>s is dit sam<strong>en</strong>lev<strong>en</strong> van <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> <strong>en</strong> consist<strong>en</strong>tie heel algeme<strong>en</strong>. In e<strong>en</strong> gesprek<br />
gaat het vaak om handhav<strong>en</strong> van consist<strong>en</strong>tie in wat de spreker vertelt. Bewijz<strong>en</strong> word<strong>en</strong><br />
door de toehoor<strong>der</strong> gebruikt als kleine tests of voor de hand ligg<strong>en</strong>de gevolgtrekking<strong>en</strong> uit<br />
wat de spreker beweert niet mete<strong>en</strong> tot absurde consequ<strong>en</strong>ties leid<strong>en</strong>.<br />
'Gewoon' <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong><br />
Ons dagelijkse <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> lijkt in eerste instantie niet ver af te staan van wiskundig<br />
<strong>bewijz<strong>en</strong></strong>. Omgekeerd bezi<strong>en</strong>: wiskundig <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> is op te vatt<strong>en</strong> als gewoon gezond<br />
verstand, maar langer volgehoud<strong>en</strong> dan we normaal pleg<strong>en</strong> te do<strong>en</strong>. Maar bij na<strong>der</strong> inzi<strong>en</strong><br />
zijn er toch ook wel ver<strong>der</strong>e eig<strong>en</strong>aardighed<strong>en</strong> aan dagelijks <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong>. Deze zijn met<br />
name sterk naar vor<strong>en</strong> gekom<strong>en</strong> in de Kunstmatige Intellig<strong>en</strong>tie, to<strong>en</strong> m<strong>en</strong> ging prober<strong>en</strong><br />
m<strong>en</strong>selijk <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> preciezer te formalizer<strong>en</strong>. In het byzon<strong>der</strong> valt dan op het frequ<strong>en</strong>te<br />
gebruik van meer conclusies dan strikt logisch mag. E<strong>en</strong> bek<strong>en</strong>d verschijnsel zijn<br />
Default aannam<strong>en</strong><br />
'Als ik de trein neem, kom ik doorgaans in Amsterdam.<br />
Ik neem de trein. Dus ik kom in Amsterdam'.<br />
Verzweg<strong>en</strong> aanname bij dat 'doorgaans': 'de NS functioneert' of iets <strong>der</strong>gelijks.<br />
A volgt niet geldig uit T <strong>en</strong> ( (T&N) A.<br />
Er kan blijk<strong>en</strong> ) dat N.<br />
We nem<strong>en</strong> vaak aan dat die uitzon<strong>der</strong>lijke omstandighed<strong>en</strong> zich niet voordo<strong>en</strong>, zolang we<br />
niet expliciet wet<strong>en</strong> dat ze zich wél voordo<strong>en</strong>. Dit werkt sneller, <strong>en</strong> is ook meestal<br />
gerechtvaardigd. Maar er is e<strong>en</strong> prijs: als onverhoopt de NS niet functioneert, dan moet<strong>en</strong><br />
we de conclusie A alsnog intrekk<strong>en</strong>, <strong>en</strong> onze hele informatie opnieuw bezi<strong>en</strong>. Naast dit<br />
gretige <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> bov<strong>en</strong> logische gevolgtrekking<strong>en</strong> uit, hebb<strong>en</strong> we dus e<strong>en</strong> comp<strong>en</strong>ser<strong>en</strong>d<br />
mechanisme nodig: de systematische herzi<strong>en</strong>ing van eer<strong>der</strong>e conclusies als we te mak<strong>en</strong><br />
krijg<strong>en</strong> met recalcitrante feit<strong>en</strong>. Overig<strong>en</strong>s bestaan ook hiervoor wiskundige modell<strong>en</strong>.<br />
Psychologie van <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong><br />
Cognitieve psycholog<strong>en</strong> bewer<strong>en</strong> vaak dat echt <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> heel an<strong>der</strong>s gaat dan de <strong>logica</strong><br />
beweert. Beroemd is de Wason Kaart Test (1970), die twee ding<strong>en</strong> lijkt aan te ton<strong>en</strong>:<br />
(a) conditionele bewering<strong>en</strong> gedrag<strong>en</strong> zich an<strong>der</strong>s an<strong>der</strong>s dan in de <strong>logica</strong>,<br />
(b) <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> is afhankelijk van inhoud, <strong>en</strong> niet formeel.
11<br />
E<strong>en</strong> veelbesprok<strong>en</strong> experim<strong>en</strong>t loopt als volgt. Beschouw de volg<strong>en</strong>de regel over e<strong>en</strong><br />
aantal kaart<strong>en</strong>, die aan de <strong>en</strong>e kant e<strong>en</strong> letter hebb<strong>en</strong>, <strong>en</strong> aan de an<strong>der</strong>e kant e<strong>en</strong> cijfer:<br />
Als er e<strong>en</strong> klinker op de <strong>en</strong>e kant staat, dan e<strong>en</strong> onev<strong>en</strong> getal op de an<strong>der</strong>e kant.<br />
U krijgt nu e<strong>en</strong> rij kaart<strong>en</strong> te zi<strong>en</strong>. Welke kaart<strong>en</strong> moet u omdraai<strong>en</strong> <strong>en</strong> van achter inspecter<strong>en</strong><br />
om na te gaan of de g<strong>en</strong>oemde regel opgaat in de volg<strong>en</strong>de – ietwat schietgrage – rij?<br />
A K 4 7<br />
M<strong>en</strong>s<strong>en</strong> do<strong>en</strong> dit doorgaans fout, <strong>en</strong> noem<strong>en</strong> niet de twee kaart<strong>en</strong> die volg<strong>en</strong>s de <strong>logica</strong><br />
moet<strong>en</strong> word<strong>en</strong> omgekeerd. (Citaat: "Ev<strong>en</strong> professional <strong>logica</strong>ns have be<strong>en</strong> known to fail<br />
in an embarrassing manner…") Dit zou kunn<strong>en</strong> wijz<strong>en</strong> op e<strong>en</strong> bias teg<strong>en</strong> negatieve<br />
noties, zoals ¬B* weerlegg<strong>en</strong>: ¬A is lastiger A* dan B, hoewel logisch equival<strong>en</strong>t.<br />
Bov<strong>en</strong>di<strong>en</strong> blijkt dat het 'logische correcte antwoord' wel veel vaker wordt gegev<strong>en</strong> als de<br />
test e<strong>en</strong> concrete inhoud krijgt: bijv. kaart<strong>en</strong> met aan de <strong>en</strong>e kant leeftijd<strong>en</strong> <strong>en</strong> aan de<br />
an<strong>der</strong>e al dan niet drink<strong>en</strong>, die test<strong>en</strong> of alle<strong>en</strong> meer<strong>der</strong>jarig<strong>en</strong> drank tot zich nem<strong>en</strong>.<br />
Conclusie van veel psycholog<strong>en</strong>: <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> is on<strong>der</strong>werp-afhankelijk. Logici uit Amsterdam<br />
<strong>en</strong> Edinburgh zijn mom<strong>en</strong>teel in de teg<strong>en</strong>aanval, met alternatieve modell<strong>en</strong> van wat<br />
de person<strong>en</strong> do<strong>en</strong> in de test, die wel klopp<strong>en</strong> met het 'correcte antwoord'. Zulke contact<strong>en</strong><br />
zi<strong>en</strong> we in het net opgerichte Cognitive Sci<strong>en</strong>ce C<strong>en</strong>tre Amsterdam, www.csca.uva.nl<br />
Red<strong>en</strong>er<strong>en</strong> in beeld<br />
T<strong>en</strong>slotte nog e<strong>en</strong> an<strong>der</strong> mogelijk on<strong>der</strong>scheid tuss<strong>en</strong> echt <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> <strong>en</strong> logisch <strong>bewijz<strong>en</strong></strong>.<br />
Onze analyse was sterk taal- <strong>en</strong> symboolgericht. Maar veel van de voorbeeld<strong>en</strong> uit het<br />
eerste college-uur war<strong>en</strong> visueel. D<strong>en</strong>k ook aan de meetkunde, met zijn rol van plaatjes <strong>en</strong><br />
diagramm<strong>en</strong>. E<strong>en</strong> heel oude discussie betreft de vraag of plaatjes bewijskracht hebb<strong>en</strong>.<br />
Mom<strong>en</strong>teel is de interesse groei<strong>en</strong>de in 'grafisch <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong>', maar de grote op<strong>en</strong> vraag<br />
blijft, zowel in informatica als cognitiewet<strong>en</strong>schap: wat is visuele informatie eig<strong>en</strong>lijk, <strong>en</strong><br />
wat zou bijv. rechtstreeks visueel 'rek<strong>en</strong><strong>en</strong>' zijn? En als we dat dan al wet<strong>en</strong>, hoe<br />
integrer<strong>en</strong> we dat dan met talige informatie <strong>en</strong> <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> – zoals m<strong>en</strong>s<strong>en</strong> k<strong>en</strong>nelijk do<strong>en</strong>?<br />
Logica in driedubbelrol<br />
We begonn<strong>en</strong> met <strong>logica</strong> als abstracte vorm van wiskundig <strong>bewijz<strong>en</strong></strong>. Doel daarbij was<br />
analyse <strong>der</strong> grondslag<strong>en</strong> van wiskundige theorieën. Vervolg<strong>en</strong>s blijk<strong>en</strong> logische system<strong>en</strong><br />
ook computer-implem<strong>en</strong>teerbaar, wat leidt tot mechanisch <strong>bewijz<strong>en</strong></strong> <strong>en</strong> Kunstmatige Intellig<strong>en</strong>tie.<br />
Het doel is dan veeleer het creëer<strong>en</strong> van e<strong>en</strong> nieuwe virtuele red<strong>en</strong>eerpraktijk! En<br />
t<strong>en</strong>slotte is er nog de oceaan van ons alledaags <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong> waarin ons lev<strong>en</strong> zich afspeelt.<br />
E<strong>en</strong> <strong>der</strong>de doel van de mo<strong>der</strong>ne <strong>logica</strong> is beschrijv<strong>en</strong> van dat echte <strong>red<strong>en</strong>er<strong>en</strong></strong>, voorzover<br />
niet bestaand uit incoher<strong>en</strong>te fout<strong>en</strong>makerij. Wiskundige analyse van de mechanism<strong>en</strong> die<br />
daarbij e<strong>en</strong> rol spel<strong>en</strong> bov<strong>en</strong>op het zuivere grondslag<strong>en</strong>on<strong>der</strong>zoek is heel goed mogelijk.