28.06.2014 Views

bewijzen, redeneren en logica - Faculteit der Natuurwetenschappen ...

bewijzen, redeneren en logica - Faculteit der Natuurwetenschappen ...

bewijzen, redeneren en logica - Faculteit der Natuurwetenschappen ...

SHOW MORE
SHOW LESS

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.

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!