RAGIONAMENTO, ARGOMENTAZIONE E LOGICA - Ugo Solitro - tandem | univr

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RAGIONAMENTO,
ARGOMENTAZIONE
E LOGICA

                                                                                                TANDEM A. A. 2016/17
                                                                                           Dipartimento di Informatica
                                                                                         Università degli Studi di Verona
Ugo Solitro

“I see nobody on the road” said Alice.
“I only wish I had such eyes …
to be able to see Nobody!”
                                                         Lewis Carrol
Logica, Ugo Solitro – Verona, 10 febbraio 2017 (bozza)                  ultimo aggiornamento 07/03/17
AVVERTENZA
    I materiali che seguono sono progettati come supporto
    alla lezione e alle attività che si svolgono in aula.
    Gli argomenti non sono in generale trattati in maniera del tutto
    rigorosa ed esauriente.
    Non costituiscono un materiale adatto allo studio.
    Possono contenere imprecisioni ed errori di battitura.
    Le citazioni non riportano sempre affermazioni veritiere!
    Nella preparazione di questo materiale
    si è fatto uso di alcune risorse
    come indicato nella prima lezione.
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SOMMARIO

     I quantificatori, ripresa.
     Argomentazioni e …
         Descrizioni definitorie
         Autoreferenza
     Induzione (matematica)
     Esercizi

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LA LOGICA DEI PREDICATI
Il linguaggio del I ordine

Logica, Ugo Solitro – Verona, 10 febbraio 2017 (bozza)
DALLE PROPOSIZIONI
                                                            AI PREDICATI

     La logica delle proposizioni fornisce la struttura essenziale
     Ma bisogna andare più a fondo:
     le asserzioni hanno una loro struttura interna
     ed esprimono proprietà di elementi e di individui.

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UN ESEMPIO DISCUTIBILE

   Perché le cose succedono?
        C’è un motivo se la mia auto si guasta.
        C’è un motivo se siamo qui.
        C’è un motivo se mi sono preso l’influenza.
   Ogni evento ha una causa.
   Dunque c’è una causa per ogni evento,
        … anche il Big Bang!
   Conclusione … esiste un principio che è la causa di tutto.

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UN ESEMPIO DISCUTIBILE:
                                        CENNI PER UNA SPIEGAZIONE

     “Ogni evento ha una causa.”
         Per ogni evento esiste una causa
     “C’è una causa per ogni evento”
         Esiste una causa per ogni evento
     Le due frasi sono evidentemente differenti
     ma la formulazione in linguaggio naturale può ingannare.

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UN ESEMPIO DISCUTIBILE:
                                                    VERSO LA SOLUZIONE

     Questo genere di problemi può essere risolto
     con un’analisi rigorosa della struttura delle asserzioni.
     I logici hanno analizzato la situazione
     e scoperto che le costruzioni che rilevanti sono poche.
     Tutte le altre (quasi tutte …)
     si possono ricondurre a quelle fondamentali!

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LA SOLUZIONE

     Analizzare più a fondo la struttura delle asserzioni.
     Arricchire il linguaggio delle proposizioni:
         definire i predicati
         definire i quantificatori
         …

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PREDICATO

     Dal Vocabolario Treccani
         Ciò che si predica,
         cioè si afferma o si nega intorno a un soggetto
         Nella logica:
         il giudizio è composto da un soggetto e un predicato.
         Con significato più specifico in logica matematica,
         attributo o proprietà relativa a uno o anche a più soggetti.

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DALLE ASSERZIONI
                                                      AI PREDICATI: ESEMPI

     “Kurt ama la logica”
         Se indichiamo con L il predicato “ – ama la logica”
         L’asserzione può essere sinteticamente riscritta così:
              L(Kurt)
         Posso riutilizzare il predicato e scrivere anche:
              L(Ugo)
     In generale se indichiamo con p una generica persona
     possiamo scrivere L(p) per esprimere il fatto che …

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UN PROBLEMA
                                                      DI NOTAZIONE
     Nel libro di Graham Preist si adopera una notazione differente …
     “Kurt ama la logica”
         Se indichiamo con L il predicato “ – ama la logica”
         L’asserzione può essere sinteticamente riscritta così:
              Kurt L
         Posso riutilizzare il predicato e scrivere anche:
              Ugo L
         In generale se p è una persona generica
         possiamo scrivere p L per esprimere il fatto che …
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DALLE ASSERZIONI
                                                      AI PREDICATI: ESEMPI
    “Le rette a e b sono perpendicolari”
         Se indichiamo con P
         il predicato (binario) “ … essere rette perpendicolari”
         l’asserzione può essere sinteticamente riscritta così:
             P(a,b)
    “I punti A, B, C, D definiscono un quadrato”
         Se indichiamo con Q
         il predicato (quaternario)
         “ … essere punti che definiscono un quadrato”
         l’asserzione può essere sinteticamente riscritta così:
             Q(A,B,C,D)
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PREDICATI E INSIEMI

     Un’asserzione può essere intesa
     come l’espressione di una proprietà che lega gli elementi …
     Un predicato possiamo pensarlo come una relazione, ovvero
         come sottoinsieme di un opportuno prodotto cartesiano,
         come una particolare funzione “di verità”,
         come un giudizio elementare su individui

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IL LINGUAGGIO AL I ORDINE

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FORMULE DEL PRIM’ORDINE

    a, b, c, … rappresentano individui specifici (nomi propri, costanti)
    x, y, z, … rappresentano individui non precisati (nomi generici, variabili)
    A, B, C, … , P, Q, R, …
    rappresentano predicati (atomici e non)
    ognuno con un “numero di argomenti” fissato (detto arietà)
    A partire da predicati atomici
    si possono costruire asserzioni più complesse,
    dette formule, utilizzando
         i connettivi proposizionali (già visti)
         e … quantificatori!
             che definiremo tra poco …
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QUANTIFICAZIONI

     universale
     esistenziale

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ASSERZIONI DIPENDENTI

    Finora abbiamo considerato asserzioni logiche
    costruite mediante operazioni (connettivi)
    a partire da frasi considerate come un tutt’uno.
    Spesso il significato di una asserzione può dipendere
    da qualche cosa al suo interno:
    un elemento del quale la frase parla.
    Esempio: “Marco ha i capelli rossi”.
         È evidente che la verità dell’asserzione
         dipende dalle caratteristiche di Marco:
         se l’elemento cambia …
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ASSERZIONI DIPENDENTI:
                                                                ALTRI ESEMPI
     Esempi.
         Marcus ha visto un elefante.
         Annika si è addormentata.
         Qualcuno mi ha colpito.
         Nessuno è venuto alla festa.
         Tutti amano la pizza.
     In alcuni casi (i primi due) il soggetto è chiaramente definito,
     negli altri non è proprio così …
         “qualcuno”, “nessuno”, “tutti” sono chiamati quantificatori.
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INFERENZA
                                                      CON I QUANTIFICATORI

     Esempio 1:
     Marcus mi ha colpito
     –––––––––––––––––
     Qualcuno mi ha colpito

     Esempio 2:

     x ama la pizza (con x che abita in Italia)
     ––––––––––––––––––––––––––––––––
     Tutti gli abitanti dell’Italia amano la pizza

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QUANTIFICATORI: INFERENZA

     Esempio 1 – introduzione dell’esistenziale:

     Marcus mi ha colpito
     –––––––––––––––––
     Qualcuno mi ha colpito

     Esempio 2 – introduzione dell’universale:

     x ama la pizza (dove x abita in Italia)
     ––––––––––––––––––––––––––––––––
     Tutti gli abitanti dell’Italia amano la pizza

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QUANTIFICATORI FONDAMENTALI
                                                   E LORO PROPRIETÀ

    Nella maggior parte dei casi i quantificatori si riducono
    a due tipi fondamentali: esistenziale e universale.
    Esistenziale (∃):
         ∃xP(x): “esiste x tale che P(x)” è valida
         se e solo se esiste un elemento x per il quale vale P(x).
    Universale (∀):
         ∀xP(x): “per ogni x, P(x)” è valida
         se e solo se per ogni elemento x vale P(x).
    Le regole che governano i quantificatori sono naturali …
    a meno di qualche dettaglio tecnico!
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QUANTIFICATORI DERIVATI
                                               E QUALCHE EQUIVALENZA
    Nessuno:
         “nessuno soddisfa P(x)” equivale a
              ∀x¬P(x) (“tutti non …”)
              oppure ¬∃xP(x) (“non esiste …”)
    Universale (∀):
         ∀xP(x) equivale a ¬∃x¬P(x)
    Esistenziale (∃):
         ∃xP(x) equivale a ¬∀x¬P(x)
    Nota: queste equivalenze non sono universalmente accettate!
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QUANTIFICATORI
                                       UNA DEFINIZIONE COSTRUTTIVA

    Esistenziale (∃) – ∃xP(x): “esiste x tale che P(x)”
         Una dimostrazione di ∃xP(x) è costituita da
              un elemento a (testimone)
              e una dimostrazione della validità di P(a)
    Universale (∀) – ∀xP(x): “per ogni x, P(x)”
         Una dimostrazione di ∀xP(x) è costituita da
              un procedimento costruttivo che,
              dato un generico a,
              consenta di produrre una dimostrazione costruttiva
              della validità di P(a)
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ESEMPIO

     Simona afferma:
     “In ogni corso di laurea in Medicina e Chirurgia
     c'è almeno uno studente
     che ha superato tutti gli esami del primo anno”.
         Se tale affermazione è falsa, allora ...
     Indichiamo con z un generico corso di laurea in M&C,
     s uno studente di tale corso di laurea,
     P(x) la proprietà che dice “x ha passato tutti gli esami”.
     Allora l’affermazione …
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ESEMPIO:
                                        SCHEMATIZZAZIONE E ANALISI
   Non è vero che
   “In ogni corso di laurea in Medicina e Chirurgia
   c'è almeno uno studente che ha superato tutti gli esami del primo anno”.
   … può essere riformulata in simbolicamente così:
        ¬∀l ∃s in l : P(s)
        Non per ogni corso di laurea, esiste uno studente …
        equivalente a ∃l ¬∃s in l : P(s)
        Esiste un corso di laurea, per il quale non esiste uno studente …
        equivalente a ∃l ∀s in l : ¬P(s)
        Esiste un corso di laurea, per il quale ogni studente non …
   In altre parole:
   “Esiste almeno un corso di laurea in Medicina e Chirurgia
   per il quale nessuno studente ha superato tutti gli esami del primo anno”.
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ARGOMENTAZIONI AL I ORDINE

Logica, Ugo Solitro – Verona, 10 febbraio 2017 (bozza)
ARGOMENTO COSMOLOGICO

    Argomentazione:
         Ogni evento ha una causa.
         Pertanto c’è una una causa per ogni evento
         Esiste qualcosa che causa ogni cosa …
    C’è un Problema tecnico!
         Esiste una causa per ogni evento
         Per ogni evento esiste una causa
    Le due frasi sono evidentemente differenti
    ma la formulazione in linguaggio naturale può ingannare.
    Le due quantificazioni non sono equivalenti:
    lo si può dimostrare esibendo dei contro esempi.
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L’ARGOMENTO ONTOLOGICO

     Argomentazione:
         Dio è l’essere con tutte le perfezioni.
         L’esistenza è una perfezione.
         Quindi Dio possiede l’esistenza.
         Quindi esiste!
     Dov’è il difetto?

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QUAL’È IL DIFETTO

     L’argomentazione fa riscorso
     alla possibilità di caratterizzare al I ordine
     entità individuali mediante le loro proprietà.
     Questa tecnica è piuttosto diffusa e utile.
     Ma può esporre l’argomentazione ad errori …

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DESCRIZIONI ED ESISTENZA …

     Una descrizione (definita o definitoria)
     è una proprietà (più o meno complessa)
     che permette di caratterizzare un entità individuale.
     Esempi.
         Il primo uomo che è sbarcato sulla Luna.
         Un antico ponte sull’Adige che ora non c’è più.
         Il professore che è stato eletto Rettore dell’Università.

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UNA DESCRIZIONE
                                                         IN DETTAGLIO
    “Il primo uomo che è sceso sulla Luna.”
    Questa locuzione descrive ovviamente Neil Armstrong
    ed è strutturata in due elementari:
         U(x) = “x è un uomo”
         L(x) = “x è il primo a sbarcare sulla luna”
    Possiamo allora riscrivere in modo formale la prima frase:
    Neil Armstrong è
         “l’individuo x tale che U(x) & L(x)”.
         Oppure, in modo più sintetico
         ix: U(x) & L(x)
    Una descrizione definitoria è sostanzialmente assimilabile ad un nome.
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PRECAUZIONI TECNICHE
     Questo genere di descrizioni “definitorie” funzionano
     quando le proprietà caratterizzanti sono soddisfacibili
     ed esiste un unico individuo che le soddisfa.
     L’equazione definitoria p = ix:P(x) è ben formata
         se esistono individui che soddisfano P(x)
         e ancora di tali individui ce n’è uno solo.
     Principio di Caratterizzazione:
         L’individuo p definito da ix:P(x)
         soddisfa tutte le proprietà descritte da P(x).
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CATTIVI ESEMPI

     Esempio 1
         P(x): x è il più numero grande numero intero
         M = ix:P(x)
         Quindi M è il più grande di tutti i numeri interi…
     Esempio 2
         A(y): y è un cavallo alato
         C = iy: A(y)
         Quindi C è un cavallo alato … (se esiste!)
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                34
(ANCORA) CATTIVI ESEMPI

     Esempio 3
         Z(x): x è il più potente tra gli dei dell’Olimpo
         Zeus = ix:P(x)
         Quindi Zeus è è il più potente tra gli dei dell’Olimpo!
     L’affermazione finale può considerarsi vera
     Ma questo non ci autorizza ad asserire l’esistenza di Zeus …

Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                35
DESCRIZIONI E ESISTENZA

     Le descrizioni definitorie sono uno strumento fondamentale.
     Le proprietà caratterizzanti “parlano”
     di un’entità che è pensata come esistente.
     L’esistenza, e l’unicità, dell’entità di cui si parla (definiendum)
     debbono essere dimostrate!

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AUTOREFERENZA
Hofstadter's Law:
It always takes longer than you expect, even when you take into account Hofstadter's Law.

Logica, Ugo Solitro – Verona, 10 febbraio 2017 (bozza)
AUTO REFERENZIALITÀ

     Una frase (o una locuzione) si dice autoreferenziale
     quando al suo interno si fa riferimento diretto o indiretto
     alla frase stessa.
     Esempi.
         “Quanto sto dicendo
         è il frutto di una lunga esperienza nello studio della logica.”
         “Moltiplicare un numero intero m per un intero n
         significa aggiungere m ad un valore iniziale nullo
         esattamente n volte”
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                    38
DEFINIZIONI
                                                      AUTO REFERENZIALI

     In matematica l’autoreferenzialità è molto frequente.
     Esempio. Il fattoriale.
         Se n è un numero intero positivo il suo fattoriale n! si ottiene
         calcolando la seguente moltiplicazione:
         1x2x3 … x n
         Più precisamente (definizione ricorsiva):
              0! = 1
              n! = (n-1)! x n

Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                         39
PROBLEMI LEGATI
                                               ALL’AUTOREFERENZIALITÀ
    Frasi di questo genere non sono così comuni
    al di fuori di un ambito tecnico.
    Possono apparire semplici, ma spesso sorgono problemi …
    Esempi
         “Questa frase contiene cinque parole.”
         Nel regolamento di molte istituzioni
         compare una regola di questo tenore:
         “Questo regolamento può essere modificato tramite una delibera
         approvata dalla maggioranza degli aventi diritto”.
         “Questa frase è falsa.”
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                       40
ANALISI DI UN ESEMPIO
     “Questa frase è falsa.”
     L’affermazione in discussione è …
         vera?
              se lo fosse ne segue necessariamente che è falsa.
         falsa?
              in questo caso “Questa frase è falsa” risulta falsa
              e pertanto deve essere vera!
         In entrambi i casi arriviamo ad una contraddizione!
         Qual’è … la verità?
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                 41
UN ALTRO ESEMPIO
     “Questa frase è vera.”
     L’affermazione in discussione è …
         vera?
              se è vera quanto viene asserito è giudicato valido,
              esattamente quel che la frase esprime.
         falsa?
              in questo caso “Questa frase è vera” risulta falsa
              quindi quel che la frase esprime è falso.
         Dunque? È vera o falsa?
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                  42
PARADOSSO
    Dall’Enciclopedia Treccani on line
         Affermazione, proposizione, tesi, opinione che,
         per il suo contenuto o per la forma in cui è espressa,
         appare contraria all’opinione comune o alla verosimiglianza
         e riesce perciò sorprendente o incredibile.
         In logica, il paradosso è un enunciato contrario all’opinione comune
         ovvero che si presenta in sé stesso contraddittorio.
         Proposizione contrastante con precedenti risultati
         o con principi ritenuti incondizionatamente validi,
         dedotta da una dimostrazione che appare a prima vista rigorosa.
    Il Paradosso del Mentitore: “Io sto mentendo.”
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                             43
ALTRI PARADOSSI
    Il Paradosso del Barbiere:
         In un isola c’è un barbiere che …
    Il Paradosso di Zenone
         …
    Il Paradosso di Berry:
         “Il più piccolo numero definito con non meno di dodici parole.”
    Un Paradosso socratico:
         “Tutto ciò che so è di non sapere”.
    Il Paradosso dei Numeri Interessanti:
         “Sia n il più piccolo numero non interessante.”
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                        44
SOLUZIONI?

     L’autoreferenzialità può essere uno strumento potente.
     Affermazioni apparentemente semplici
     possono risultare paradossali.
     Le soluzioni non sono molto semplici …

Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)            45
UNA LOGICA
                                                      CON MOLTI VALORI
    Nel nostro percorso abbiamo cercato
    di non parlare troppo di verità.
    Ma nei nostri discorsi erano spesso sottintesi
    i due classici valori di verità: vero e falso.
    Possiamo considerare la possibilità
    di “cambiare” i valori di verità includendo:
         né vero, né falso;
         vero e falso.
    Logiche di questo genere
    sono state effettivamente sviluppate …
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                  46
UN LINGUAGGIO
                                                      “PIÙ” RIGOROSO …

     Un’altra soluzione consiste
     nell’imporre delle regole più rigide
     nella costruzione delle frasi
     ed impedire la creazione di situazioni critiche.
     È la strada che percorrono la matematica e le scienze.

Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                  47
IL PARADOSSO DI RUSSEL
    Formulazione sintetica.
         Un insieme è una collezione di oggetti.
         Gli oggetti di un insieme
         possono essere a loro volta insiemi
         Nota: nella teoria matematica degli insiemi
         ogni oggetto è un insieme!
         Sia R l’insieme degli insiemi
         che non contengono sé stessi come membri.
              R = { x | x∉x }
    Problema: R∈R?
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)    48
INDUZIONE

Logica, Ugo Solitro – Verona, 10 febbraio 2017 (bozza)
GENERALIZZAZIONI

     Quando abbiamo parlato di quantificatori
     abbiamo parlato del quantificatore universale.
     Ma come si fa ad inferire
     che una proprietà vale per tutti
     senza necessariamente validare
     tutti i casi possibili?

Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                  50
ESEMPI DI GENERALIZZAZIONE

    Teorema. Per tutti i numeri naturali dispari
    la divisione per 2 dà come resto 1.
    Dimostrazione (sintetica).
        Sia n un numero naturale dispari.
        n non è pari, quindi non è un multiplo di 2.
        La “distanza” massima tra due numeri pari.
        Quindi n è preceduto da un numero pari
        e di conseguenza esiste k tale che n = 2xk+1
        …
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)       51
ALTRI ESEMPI …

     Argomentazione
         L’uomo, il cane, le foche sanno nuotare.
         L’uomo, il cane, le foche sono mammiferi.
         I mammiferi sanno nuotare
     Problemi?

Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                52
ALTRI ESEMPI …

     Fatti
         Ho visto un corvo ed era nero.
         Ho visto un secondo corvo ed era nero.
         Ho visto un terzo corvo ed era nero.
           …
     Conclusione
         I corvi sono neri (?)
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                53
INDUZIONE MATEMATICA

     È una tecnica consolidata per dimostrare asserzioni generali
     sui numeri interi, ma non solo!
     Principio di Induzione Matematica.
         Sia P(x) un predicato al I ordine.
          Supponiamo che
               P(0) sia valido
               P(n) valido => P(n+1) valido
          Allora per ogni n numero naturale vale P(n).

Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                 54
INDUZIONE MATEMATICA
                                                                UN ESEMPIO
    Teorema
    Per ogni n numero naturale
    P(n): 1+2+3+4 + … n = n(n+1)/2
    Dimostrazione
         Base: P(0) è valida. Infatti …
         Passo induttivo: se P(n) vale allora anche P(n+1).
              Infatti si ha che
              1+2+3+4 + … n + (n+1) = n(n+1)/2 + (n+1)
              = (n+1)(n/2+1) = (n+1)(n+2)/2.
              Q.E.D.
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                      55
INDUZIONE MATEMATICA
                                        UN ESEMPIO SORPRENDENTE

     Teorema
         Tutti i cavalli sono dello stesso colore.
     Lemma
         Per ogni n un numero naturale,
         P(n): per ogni branco (insieme)
         costituito da n cavalli
         tutti gli elementi hanno lo stesso colore.
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)           56
DIMOSTRAZIONE:
                                                          PASSO BASE

    Sia n = 0.
         il branco non contiene nemmeno un cavallo
         la tesi è “vuotamente” soddisfatta.
         (c’è da fidarsi …?)
         (io non mi lo farei …)
    Sia n = 1.
         Il branco è costituito da un solo cavallo.
         La tesi è “banalmente” soddisfatta.
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                57
DIMOSTRAZIONE:
                                                      PASSO INDUTTIVO
   Supponiamo che P(n) sia valido.
   Vogliamo dimostrare che, di conseguenza,
   anche P(n+1) vale.
   Sia B un branco con n+1 cavalli
        precisamente B = { c1, c2, c3, … , cn+1 }
        consideriamo B’ = { –, c2, c3, … , cn+1 }
             B’ contiene solo n cavalli che,
             per ipotesi induttiva, hanno tutti lo stesso colore.
        consideriamo B” = { c1, –, c3, … , cn+1 }
             di nuovo B”contiene n cavalli tutti lo stesso colore.
   Dunque … la tesi!
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                  58
ALTRI PRINCIPI
                                                      DI INDUZIONE

    Induzione Matematica Completa
    Principio del Minimo
    Induzione Strutturale
    Induzione Transfinita
    Induzione Transfinita fino ad epsilon-zero.
    …
    Co-induzione … ?
    …
Logica, Ugo Solitro – Verona, febbraio 2017 (bozza)                59
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