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Acerca de Guillermo Oswaldo Cota Martínez

Soy Guillermo. Soy pasante de la Licenciatura en Matemáticas en la Facultad de Ciencias de la UNAM, y estudiante de la Licenciatura en Ciencia de Datos del IIMAS, UNAM. Me interesan los problemas referente al análisis de datos y a la docencia.

Álgebra Superior I: Demostraciones matemáticas (El mundo de los Blorg)

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

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Introducción

Esta entrada es parte de una serie de notas sobre demostrar

Antes de empezar a encontrarnos con lo que son las demostraciones matemáticas, vamos a empezar con un pequeño mundo, este es un lugar que estaremos visitando a lo largo de varias entradas, así que será bueno que pongas atención.

El mundo de los Blorgs

Antes de que pienses que te equivocaste de entrada y veas un pequeño cuento, déjame decirte que todo está relacionado. Solo que antes de continuar vamos a conocer a los Blorgs, después verás cómo se relaciona todo.

Imagina por un momento el mundo de los Blorgs, es un mundo paralelo al nuestro que se puede encontrar en aquel mundo que existe más allá de lo que la esquina del espejo deja ver. Es un lugar que se parece un poco al piso sobre el que estamos, despierta con casi los mismos tonos del alba por la mañana pero con algunas cosas distintas. Para empezar estamos hablando de un mundo en el que habitan mayoritariamente criaturas llamadas Blorgs. Aquellos que alguna vez los vieron, comentan que curiosamente son pequeñas criaturas parecidas a los conejos. Y con algunas otras descripciones en mente, podríamos empezar a clasificar los Blorgs de acuerdo a distintas características como por ejemplo su dieta, su rutina, dónde viven, etc. Pero se decidió que era mejor clasificarlos según su color, y aquí es donde las cosas se ponen interesantes. Por un lado están los Blergs, estos son las criaturas rojas que viven por las montañas. Después podemos considerar a los Blargs que son aquellos Blorgs amarillos y viven debajo del mar, no son muy sociales pero es lo que hay. Finalmente están los Blurgs que son azules y prefieren vivir en el bosque. Entonces podemos dividir a los Blorgs en sus razas: Blergs, Blargs y Blurgs. Algo importante que tenemos que decir también: Ningún blorg tiene más de un color.

Quizá sean de color distinto y vivan en lugares diferentes, pero esto no les impide tener algunas cosas en común. Por ejemplo, todos los Blurgs comen pescados, pues tienen un lago cerca de su bosque, y al ser los Blargs marinos, también comen peces. El hecho de haber vivido tanto tiempo en terreno alto, hizo que los Blergs prefieran cultivar sus cosechas: Frutos dulces y verduras siempre comen. Por alguna razón, será costumbre o creencia, todos los Blorgs comen solamente los lunes, es decir, que cada criatura come una vez a la semana, eso les ha ayudado a no depender tanto de la comida en el día a día. Aunque aquí es donde los Blurgs no coinciden: ellos no esperan tanto y también comen algo los viernes.

La vida siendo Blorg

Tristemente, los Blargs no pueden salir del mar, pues a pesar de ser Blorgs, el salir del agua les despinta lo amarillo y les quita fuerza es por esto que casi no hablan con sus contrapartes terrestres. Por otro lado los Blerg y los Blurg se llevan muy bien, los Blurgs comparten la madera que tienen con los Blergs y los Blergs comparten los cultivos que hacen con los Blurgs. No está de más decir que todos los Blergs son amigos de los Blurgs. Esto hace que los Blargs se sientan más ajenos a ellos, pues aunque sí se llevan con los Blurgs, prefieren juntarse con los delfines que viven junto a ellos, son amistosos con los Blargs y siempre están dispuestos a negociar peces a cambio de paseos a lo largo del mar. Pero nadie se queja, así es la vida siendo un Blorg.

De esta manera, podemos resumir la información que sabemos de los Blorgs en el siguiente diagrama:

Una diferencia que podemos saber de los Blorgs es que ellos le llaman al lugar en donde viven «Axios» y dentro de ella, no hacen diferencia entre lo que es una característica o costumbre, ellos no tienen una palabra para cada una de ellas, ellos en su lugar usan la palabra «Axioma«* (¿recuerdas qué significa esta palabra?). Esto quiere decir que para los Blargs, ser amarillos es un axioma, al igual que para ellos hablar con delfines o comer peces es un axioma.

Así que es natural poder hacer conclusiones a partir de estos Axiomas. Por ejemplo: ¿Qué opinarías si te digo que todos los Blorgs comen peces? ¿O si te digo que todos los Blorgs que viven en montañas comen los lunes? Pues quizá puedas dar respuesta a estas preguntas intuitivamente. Pero ¿Cómo es que nos aseguramos que la respuesta es correcta o no? En Axios no basta con decir que todos los Blorgs que viven en las montañas comen los lunes. Los Blorgs no entienden la intuición, pero nosotros sí. A ellos hay que convencerlos con demostraciones, a ellos tenemos que explicarles mediante lógica el porqué una proposición sucede. Es decir que si queremos afirmar que todos los Blorgs que viven en las montañas comen los lunes, tenemos que decir paso a paso el porqué es así. Y esto lo lograremos mediante reglas de inferencia válidas. Vamos a anotar esto que acabamos de dcir como una definición (¿recuerdas qué era una definición?):

Definición: Una demostración matemática es el uso de pasos lógicos usando reglas de inferencia válidas para llegar de una hipótesis a una conclusión.

La intuición con inferencia

Para introducir un poco más qué van a ser las demostraciones en las matemáticas, vamos a pensar en Legos, aquellos pequeños bloques que encajan unos con otros con los que se pueden armar lo que se te ocurra. Y piensa a las reglas de inferencia como las instrucciones para armar algo.

Ahora imagina que queremos armar un escritorio hecho de estas piezas. Entonces primero tendríamos que armar las patas y después la mesa. Entonces las reglas de inferencia nos van a ayudar diciéndonos: Las patas hay que acomodarlas de cierta manera junto a la mesa para que se haga una mesa. Y una vez construido el escritorio, ahora podríamos querer ponerlo en un cuarto junto a una cama y una lámpara. Entonces usaremos otras reglas de inferencia para crear la cama y otras para la lámpara, juntando las tres partes (escritorio, cama y lámpara) tendríamos hecho un cuarto. Entonces si quisiéramos «demostrar» cómo se hace un cuarto con estas piezas de lego, tendríamos que explicar cómo se hace la lámpara, cómo se hace la cama y cómo la lámpara. Esto es lo que haremos en matemáticas: construir cosas dando las instrucciones adecuadas. Incluso podríamos ir más allá: Una vez que sabemos cómo construir un cuarto, podríamos también demostrar cómo se hace una cocina y un baño. Entonces si tuviéramos ese conocimiento de cómo se hacen estos tres, podríamos construir una casa. Y después sabiendo cómo se construyen casas, podríamos crear ciudades y países enteros. Pero como todo: un paso a la vez.

Armando piezas con los Blorgs

Nuestras piezas de lego con los Blorgs van a ser los axiomas. Ahora si le dijeramos a un Blorg que los Blorgs amarillos comen peces, no nos creerían, deberíamos darles una demostración de esto:

Proposición. Los Blorgs amarillos comen peces.

Demostración. Para empezar, vamos a notar que es una proposición del tipo «Si $x$ es un blorg amarillo entonces $x$ come peces». Esto es lo que queremos demostrar, entonces vamos a ir armando las piezas de lego poco a poco con los axiomas que ya sabíamos:

  • Usaremos que todos los Blorgs amarillos son Blargs. Es decir «si $x$ es un blorg amarillo, entonces $x$ es un blarg»
  • Usaremos que todos los Blargs comen peces. Es decir «si $x$ es un blarg, entonces $x$ come peces»

En las demostraciones vamos a ir usando cosas que ya conocemos (en este caso los axiomas) para poder ir aplicando pasos lógicos y reglas de inferencia para llegar a la conclusión deseada. Entonces como queremos ver que todos los Blorgs amarillos comen peces, entonces resulta natural «agarrar» un blorg amarillo y ver que ese blorg come peces (si pasa con un blorg amarillo, pasará para todos los Blorgs amarillos pues todos nuestros pasos lógicos aplicarán para todos los Blorgs amarillos). Así que empecemos considerando a $x$ un blorg amarillo. Sabemos que r «si $x$ es un blorg amarillo, entonces $x$ es un blarg» entonces como nuestro $x$ es un blorg amarillo, entonces es un blarg.

Ahora, sabemos que nuestra $x$ es un blarg, pero además sabemos que «si $x$ es un blarg, entonces $x$ come peces» entonces también nuestro blarg come peces. Por lo tanto los Blorgs amarillos comen peces.

$\square$

¿Viste cómo es que hicimos la demostración? Si consideramos

$ P(x) : x$ es blorg amarillo,

$ Q(x) : x$ es blarg,

$ R(x) : x$ come peces,

entonces realmente lo que hicimos fue usar la siguiente regla de inferencia válida:

$$ \begin{array}{rl} & P \Rightarrow Q \\ & Q \Rightarrow R \\ \hline \therefore & P \Rightarrow R \end{array}.$$

En este caso solo usamos esta regla de inferencia, pero más adelante veremos cómo se pueden usar otras y distintas reglas de inferencia. Apenas estamos empezando este tema, así que si aún tienes muchas dudas, no te preocupes y vuelve a leer la demostración si es necesario.

Notas

Estas son algunas anotaciones del artículo y no es necesario que las sepas, únicamente son curiosidades o temas por aparte que forman parte de cultura matemática

* Esta palabra viene del griego ἀξίωμα que significa «lo que se considera justo» y de hecho viene de la palabra ἄξιος (áxios) que significa «valioso» y en la antigua grecia se consideraban aquellas cosas que parecían evidentes y no hacía falta justificar.

Más adelante…

Apenas estamos empezando a explicar qué son estas «demostraciones». En el mundo de la matemática no hay algo como el recetario de las demostraciones, pero hay ideas o formas de pensar los problemas que te servirán para tener una idea de por dónde empezar a pensar a la hora de demostrar. Así que en las siguientes entradas vamos a ver algunas de estas «formas» de pensar los problemas y lo haremos con ayuda de los Blorgs.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. ¿Qué necesita un blorg para comer peces y ser amigo de los delfines?
  2. ¿Es posible que un blorg coma peces y frutos?
  3. ¿Qué argumentos lógicos podrías usar para demostrar que todo blorg rojo come los lunes?
  4. Verifica que

$$ \begin{array}{rl} & P \Rightarrow Q \\ & Q \Rightarrow R \\ \hline \therefore & P \Rightarrow R \end{array}$$

es una regla de inferencia válida.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Álgebra Superior I: Inferencias Matemáticas

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

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Introducción

Antes de entrar de lleno a lo que será una parte importante en tu carrera en las matemáticas, vamos a establecer algunas definiciones que nos permiten aterrizar un poco la idea de usar una serie de proposiciones para ‘demostrar’ otras cosas. En esta entrada veremos algo llamado inferencias matemáticas.

La implicación

Pensemos un momento en la siguiente proposición:

$$((Q \Rightarrow P) \land Q) \Rightarrow P $$

Lo que nos quiere decir en términos sencillos es «Si sucede que $Q$ implica $P$» y sucede $Q$ entonces sucede $P$, es como decir «Si $n$ es impar entonces $n+1$ es par y además sabemos que $n$ es impar» ¿Qué podrías decir entonces? Por un lado sabes que si $n$ es impar entonces $n+1$ es par, pero aún no sabes nada sobre si $n$ es impar o no, pero la siguiente parte del enunciado, te dice que en efecto, $n$ es impar. Entonces podríamos concluir con estas dos premisas, que $n+1$ es par. Imagina por un momento que no sabes si 8 es impar o par. Entonces tú sabes que 7 es impar, y además sabes que siempre después de un número impar viene uno par, con esta información es suficiente para saber que 8 es par, ¿No lo crees?

Lo que hicimos en este ejemplo fue agarrar dos proposiciones: $P\Rightarrow Q$, $Q$ a las que les llamaremos Premisas y dijimos que si se cumplían ambas, entonces también se cumplía $P$ que en este caso le llamaremos Conclusión.

Premisas y Conclusiones

Esto no es otra cosa que las llamadas reglas de inferencia y estas se forman con proposiciones $P_1,P_2,\dots,P_n$ a las que se les nombra premisas, junto a una proposición $R$ llamada conclusión. Y se le llama regla de inferencia a la siguiente proposición:

$$( P_1 \land P_2 \land \dots \land P_n) \Rightarrow R $$

La forma en que escribiremos las reglas de inferencia es la siguiente:

$$ \begin{array}{rl}& P_1\\&P_2\\ & \vdots \\ &P_n\\ \hline \therefore & R\ \text{(Por lo tanto R)} \end{array}$$

Volvamos de nuevo a nuestro ejemplo. Las premisas en este caso son $Q$ y $Q \Rightarrow P$ y la conclusión es $P$. Ahora veamos la tabla de verdad de la regla de inferencia $((Q \Rightarrow P) \land Q) \Rightarrow P $:

$P$$Q$$Q \Rightarrow P$$Q \Rightarrow P \land Q$$(Q \Rightarrow P \land Q) \Rightarrow P$
$0$$0$ 1 01 
$0$$1$ 0 0 1
$1$$0$ 1 0 1
$1$$1$ 11  1

¿Notas algo peculiar? ¡Pues resulta que la regla de inferencia que dijimos es una tatuología! (Y sí, reciclamos las tablas de verdad de la entrada donde introdujimos el concepto tautología). En el caso en donde una regla de inferencia sea una tautología, diremos que es una regla de inferencia válida .

Los ingredientes de la validez

Ahora que tenemos las partes de la inferencia, veamos un poco su comportamiento. Supongamos que tenemos la regla de inferencia válida

$$ (P_1 \land P_2 \land \dots \land P_n) \Rightarrow Q $$

Sabemos que como es una regla válida, siempre va a ser una tautología. Por un lado tenemos a las premisas $P_1,P_2,\dots P_n$, y estas van a entrar a la regla de inferencia unidas mediante la disyunción :$P_1 \land P_2 \land \dots \land P_n$. Con que una de estas premisas sea falsa, entonces nuestra conclusión ya falla, pues no podríamos decir con seguridad que la conclusión sea válida. Entonces para poder decir que $Q$ se cumple, necesitamos que todas y cada una de las premisas se cumpla.

Algunos ejemplos de inferencias

A continuación vamos a ver algunos ejemplos de algunas reglas de inferencias válidas.

La regla de inferencia válida más simple que se nos puede ocurrir es la siguiente:

$$ \begin{array}{rl}& P\\ \hline \therefore & P \end{array}$$

En donde básicamente estamos diciendo que si tenemos la premisa $P$ entonces va a pasar $P$, lo cual es muy fácil de verificar.

Ahora considera el caso en donde tenemos las premisas $P$ y $Q$ y la conclusión es $P\land Q$. En este caso tendríamos la regla de inferencia:

$$ \begin{array}{rl} & P\\ & Q\\ \hline \therefore & P \land Q \end{array}$$

Esto claramente es válido, pues la proposición $(P \land Q) \Rightarrow (P \land Q)$ siempre es cierta.

Nota que para que una regla de inferencia no sea válida, se tenga que tener ‘un caso’ en que las premisas sean ciertas y la conclusión no. Por ejemplo, considera la siguiente regla de inferencia:

$$ \begin{array}{rl} & P \\ \hline \therefore & Q \end{array}$$

La premisa $P$ puede ser cierta, pero nada nos asegura que $Q$ pase, ya que puede ser cierta o falsa, entonces esta no es una premisa válida. Piensa esto como: ¿Qué pasaría si todas y cada una de las premisas fuera cierta? Entonces ¿podría verificar que la conclusión es cierta?

Retomemos de nuevo el ejemplo con el que empezamos el tema:

$$ \begin{array}{rl} & Q \Rightarrow P \\ & Q\\ \hline \therefore & P \end{array}$$

Y ahora, piensa: ¿Qué pasaría si todas mis premisas fueran ciertas? Entonces sabríamos que pasa $Q$, y anotamos mentalmente que «$Q$ es verdadero». Pero además $Q \Rightarrow P$ también es verdad. Y como tenemos que $Q$ es verdad, entonces $P$ también es verdad. Y justo esta es la conclusión a la que queríamos llegar ¡Yay! Entonces al suponer que todas nuestras premisas fueron verdaderas, y aplicando un poco de «lógica» llegamos a que nuestra conclusión es verdadera. Un poco de esto se va a tratar la matemática que sigue. A partir de ahora vamos a empezar a usar esta forma de pensar, estamos rascando la fibra de la matemática y con ello empieza el viaje hacia un bosque lleno de distintas áreas, desde el álgebra y el cálculo, pasando por la geometría y la probabilidad. Todas ellas llevan la capa de la matemática porque partirán de un tronco común que nosotros estamos sentando en estas hojas. No en muchas entradas verás cómo todo esto se relaciona al quehacer matemático.

Más adelante…

Acabamos de establecer la base para uno de los cimientos sobre el cuál se sustenta la idea de «matemáticas» que es justo la forma en que pensaremos de ahora en adelante. No te preocupes si aún no puedes expresar bien la lógica detrás de las reglas de inferencia o sus trucos. Esto apenas comienza, pues en las siguientes entradas relacionaremos lo visto ahora con los bloques que construirán a la matemática: las demostraciones. Y por ahí conocerás antes una historia que te introducirán a esta idea.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Prueba que $P \Rightarrow P$ es una regla de inferencia válida.
  2. Verifica que las siguientes reglas de inferencia son válidas con tablas de verdad:
  • $$ \begin{array}{rl} & \neg P \Rightarrow \neg Q \\ & \neg P \\ \hline \therefore & \neg Q \end{array}$$
  • $$ \begin{array}{rl} & P \lor Q \\ & \neg P \\ \hline \therefore & Q \end{array}$$

Ahora haz lo mismo pero da un razonamiento «deductivo» (supón que todas las premisas y explica por qué la conclusión es cierta) de porqué es válida la siguiente regla de inferencia:

  • $$ \begin{array}{rl} & P \Rightarrow Q \\ & Q \Rightarrow R \\ \hline \therefore & P \Rightarrow R \end{array}$$

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Álgebra Superior I: Negaciones de proposiciones con conectores y cuantificadores

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

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Introducción

Ya hemos visto cómo podemos hacer uso de las proposiciones que usan conectores y algunos ejemplos de sus negaciones. Y también ya hemos visto sobre el significado de los cuantificadores así como su uso y ejemplos. Pues en esta entrada haremos uso del conector negación para entender qué significa negar una proposición con conector o cómo son las negaciones de los cuantificadores.

Conectores y su negación

Ya hemos repasado cuatro conectores binarios:

  • Conjunción
  • Disyunción
  • Implicación
  • Doble Implicación

Ahora veamos qué sucede cuando negamos cada uno de estos.

Conjunción y disyunción

Esta es una propiedad que ya visitamos con anterioridad cuando hablamos de la conjunción y disyunción, y que a la negación de estas dos se les conocen como Leyes de Demorgan y nos dicen que la negación de estas corresponden a:

  • $\neg (P \lor Q) = \neg P \land \neg Q$
  • $\neg (P \land Q) = \neg P \lor \neg Q$

Siendo que trabajemos con alguna de estas, solo es necesario recordar: La conjunción se niega con la disyunción y la disyunción se niega con la conjunción.

Implicación

Para ver cómo es que se niega este conector, recordemos su equivalencia lógica: $P \Rightarrow Q = \neg P \lor Q$. Lo siguiente que podemos hacer es aplicar las leyes de Demorgan para encontrar cómo es la negación de esta. Nota que $\neg (P \Rightarrow Q) = \neg(\neg P \lor Q) =P \land \neg Q $. Lo cuál nos quiere decir: «La negación de la implicación es que se cumpla la hipótesis y no la tesis», que es la única forma en que no se cumple la implicación.

Doble implicación

Ahora, recordemos que la doble implicación $P \Leftrightarrow Q$ es una equivalencia lógica a $(P\Rightarrow Q) \land (Q \Rightarrow P)$. De esta manera

$$ \begin{aligned} \neg(P \Leftrightarrow Q) &= \neg((P\Rightarrow Q) \land (Q \Rightarrow P))\\ &=\neg(P\Rightarrow Q) \lor \neg(Q \Rightarrow P) \\ &= (P \land \neg Q) \lor (Q \land \neg P)\end{aligned}$$

Esto es una equivalencia a decir «Las dos proposiciones deben tener valores de verdad distintos». Para que la negación de la doble implicación sea verdadera necesitamos que $P$ sea verdad y $Q$ falsa o $Q$ verdad y $P$ falsa.

Para recapitular esta parte, recuerda la siguiente tabla:

ConectorNegación
$P \lor Q$$\neg P \land \neg Q$
$P \land Q$$\neg P \lor \neg Q$
$P \Rightarrow Q$$P \land \neg Q $
$P \Leftrightarrow Q$$(P \land \neg Q) \lor (Q \land \neg P)$

Negando cuantificadores

Ahora que ya hemos visto sobre las negaciones de los conectores, es turno de que hablemos un poco de los cuantificadores. Y para esto recordemos que un cuantificador nos da información de cómo una proposición con término variable o también conocidas como predicados.

Negación de cuantificadores universales

Observa por un momento el siguiente predicado:

«Todos los números primos son impares»

Esta proposición la podemos ver de la forma $\forall x P(x)$ en el universo de discurso de los número enteros. Y la proposición nos dice que cada número primo que tomemos, será impar. ¿Esto es verdad? Pues resulta que no. Y de hecho el único número primo que no es impar es el 2. En este caso no podemos decir que sea verdad el cuantificador, esto pues existe al menos un número entero que no cumple la proposición. ¿Ves a dónde vamos con las palabras resaltadas?

Para negar el cuantificador $\forall$ usamos el cuantificador $\exists$ diciendo que existe un elemento que no cumple la propiedad:

$\neg(\forall x P(x)) = \exists x \neg P(x)$

Pensemos en el significado de la expresión. Si tenemos el esquema proposicional $\neg(\forall x P(x))$ significa que en el universo de discurso, existe una variable $a$ donde $P(a)$ es falsa, es decir $\neg P(a)$ es verdadera.

Negación de cuantificadores existenciales

Por otro lado, pensemos en el siguiente ejemplo:

«Existe un número entero mayor a 1 y menor a 2»

Para poder decir si es verdad o no, deberíamos ponernos de acuerdo en qué es un número entero o qué significa que sea menor o mayor que otro. Pero nuestra intuición nos dice que esto no es cierto (y estamos en lo correcto al pensar así). Ahora ¿Cómo se te ocurre que podríamos negar la expresión $\exists x P(x)$, donde nuestro universo de discurso son los números enteros y $P(x) : 1<x<2$? Pues necesitaríamos que no exista algún elemento que cumpla la condición, entonces podemos decir:

$\neg (\exists x P(x)) = \nexists x P(x)$

Pero podemos ir un poco más allá, y notar que lo que nos dice esta negación es que cualquier elemento que tomemos de nuestro universo de discurso, no cumplirá con la proposición. Es decir, «Para todo x en el universo de discurso, no se cumplirá el predicado». Dicho de otra forma:

$= \neg (\exists x P(x)) = \forall x \neg (P(x))$

Y por transitividad, ahora sabemos que $\nexists x P(x) = \forall x \neg (P(x))$. Y en nuestro ejemplo significa que «cada número entero no cumplirá que sea menor a 2 y mayor a 1».

Más adelante…

Llegando a este punto, ya tenemos el conocimiento necesario para hablar de una sustancia muy importante en la matemática: las demostraciones. Esto es, ¿Cómo podemos estar seguros de cuándo algo se cumple y cuándo no? ¿Qué significa que un enunciado se derive de otros enunciados? Y más importante: en lo que a partir de ahora estudiarás en las matemáticas, vamos a introducir algunas técnicas de demostración que te ayudarán a entender de qué estamos hablando en matemáticas cuando haya que verificar algo. Y para esto usaremos algo conocido como reglas de inferencia.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. ¿Cuál es la negación de las siguientes proposiciones?
    • $P\lor (Q \Rightarrow S)$
    • $(P \Leftrightarrow (Q\land \neg S))$
    • $P \land (Q\lor R)$
    • $P \Rightarrow(Q \Rightarrow P)$
  2. ¿Cuál es la negación de los siguientes predicados?
    • $\forall x (P(x)\Rightarrow Q(x))$
    • $\exists y (\forall x(P(x)\land Q(y)))$

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Álgebra Superior I: Problemas de condicionales y cuantificadores

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

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Introducción

En esta entrada resolveremos problemas de temas vistos en entradas anteriores. Haremos algunos ejemplos relacionados con los conectores condicionales que vimos en una entrada anterior: la implicación y la doble implicación. También veremos algunos de cuantificadores lógicos.

Problemas resueltos

Problema. Si $P$ y $R$ son verdaderas y $Q$ es falsa, di si la siguiente proposición es verdadera o falsa: $$(P \lor R) \Rightarrow \neg(Q \land R).$$

Solución. Haremos una tabla de verdad pero únicamente con los valores que nos dan, es decir, no vamos a hacer la tabla para todos los casos, sino únicamente los que nos interesan en este momento:

$P$$Q$$R$$P \lor R$ $Q \land R$$\neg (Q \land R)$$(P \lor R) \Rightarrow \neg(Q \land R)$
$1$$0$$1$  $1$ $0$  $1$   $1$

Por lo tanto la proposición es verdadera para los valores de verdad dados.

$\square$

Problema. Di si las siguientes proposiciones sobre los números enteros son verdaderas o no:

  1. $(3+1=4) \Rightarrow (0<10)$
  2. $(4=5) \Leftrightarrow (9+1=10)$
  3. $((6<7) \lor (3^2=10)) \Rightarrow (12<12^2)$
  4. $((-1<1) \land (1<-1)) \Leftrightarrow ((13-1=12-1+1)\Rightarrow (1+1<2))$

Solución.

Vamos a hacer algunas verificaciones sobre cada una de las proposiciones para encontrar su valor de verdad:

  • $(3+1=4) \Rightarrow (0<10)$

Como $3+1=4$ es verdadera y $0<10$ es verdadera también, entonces la proposición es verdadera.

  • $(4=5) \Leftrightarrow (9+1=10)$

Recordemos que la doble condicional es verdadera si ambas proposiciones tienen el mismo valor de verdad. Por un lado no es cierto que $4=5$ mientras que sí es verdad que $9+1=10$. Por lo tanto la proposición es falsa.

  • $((6<7) \lor (3^2=10)) \Rightarrow (12<12^2)$

Vamos a ver la proposición por partes. Primero veamos que $((6<7) \lor (3^2=10))$ es una disyunción verdadera pues una de las proposiciones que la componen, $6<7$, lo es. Como $12<12^2$ es verdad, entonces la implicación tiene antecedente y subsecuente verdaderos y por lo tanto es verdadera.

  • $((-1<1) \land (1<-1)) \Leftrightarrow ((13-1=12-1+1)\Rightarrow (1+1<2))$

De nuevo vamos a dividir la proposición en sus partes, $(-1<1) \land (1<-1)$ y $(13-1=12-1+1)\Rightarrow (1+1<2)$. Primero notemos que $(-1<1) \land (1<-1)$ es falsa, pues no es cierto que $1<-1$.

Ahora, veamos cómo es $(13-1=12-1+1)\Rightarrow (1+1<2)$. Nota que $12=13-1$ y $12=12-1+1$, entonces $13-1=12-1+1$. Entonces esta primera parte es verdad, mientras que $1+1=2$ pero no es cierto que $2<2$. Así que es falso que $1+1<2$. Entonces $(13-1=12-1+1)\Rightarrow (1+1<2)$ es falso.

Como $(-1<1) \land (1<-1)$, $(13-1=12-1+1)\Rightarrow (1+1<2)$ son ambas falsas, entonces $((-1<1) \land (1<-1)) \Leftrightarrow ((13-1=12-1+1)\Rightarrow (1+1<2))$ es verdadero.

Nota: En este tipo de ejercicios, ¿viste cómo se dieron las argumentaciones de las proposiciones en cada caso? El secreto aquí fue «desarmar» las proposiciones en partes más pequeñas. Esto lo hacemos pues recuerda que los conectores son binarios, esto significa que su valor de verdad depende del valor de verdad de las dos proposiciones que conectan.

Así, para ver cuál es el valor de verdad de $((6<7) \lor (3^2=10)) \Rightarrow (12<12^2)$, lo que hicimos fue deshacerlo en sus partes. Una parte $A$ fue $(6<7) \lor (3^2=10)$ y la otra parte $B$ fue $12<12^2$. Entonces bastaba con verificar cuáles eran los valores de verdad de $A$ y $B$. Para ello, volvimos a «desarmar» a $A$ en sus partes «atómicas». Es decir, desarmamos $(6<7) \lor (3^2=10)$ en $6<7$ y $3^2=10$ y estudiamos el valor de verdad de cada uno de ellos. Usualmente este tipo de pensamiento de «desarmar un problema en sus partes» te ayudará a verificar o demostrar cosas más adelante.

Problema. Sean $P(x)$, $Q(x)$ y $R(x)$ los siguientes predicados:

  • $P(x): x \leq 4$
  • $Q(x): x +1$ es par.
  • $R(x): x> 0$

Si nuestro universo de discurso son los números enteros, ¿cuáles son los valores de verdad de las siguientes proposiciones?

  1. $P(1)$
  2. $P(1) \Rightarrow Q(1)$
  3. $P(0) \Rightarrow (R(5) \Rightarrow Q(0))$
  4. $R(-1) \lor P(2)$
  5. $\neg R(-2) \lor P(-2)$

Solución.

1.$P(1)$

Es verdadera, pues $1 \leq 4$.

2. $P(1) \Rightarrow Q(1)$

Como $P(1)$ es verdadera y además $1+1=2$ es par, entonces la proposición es verdadera.

3. $P(0) \Rightarrow (R(5) \Rightarrow Q(0))$

Vamos a dividir la proposición en partes. Primero notemos que $P(0)$ es verdad. Mientras que $R(5) \Rightarrow Q(0)$ es falsa, ya que es cierto que $5>0$ pero es falso que $0+1$ sea par. Entonces la proposición es falsa.

4. $R(-1) \lor P(2)$

Como $R(-1)$ es falsa pero $P(2)$ es verdad, entonces la proposición es verdadera.

5. $\neg R(-2) \lor P(-2)$

Como $-2<0$ es verdad, entonces $\neg R(-2)$ es falso, mientras que $-2<4$ es verdad. De esta manera la proposición es verdadera.

Problema. Considera los siguientes predicados:

  • $P(x): 2x>0$
  • $Q(x):x>0$
  • $R(x): x=20$
  • $T(x):x<0$

Determina la verdad o falsedad de las siguientes proposiciones, considerando que nuestro universo de discurso son los números enteros. Si la proposición no es verdadera, da un contraejemplo o explicación de ello.

  1. $\forall x(P(x) \Rightarrow Q(x))$
  2. $\exists x (Q(x) \land T(x))$
  3. $\forall x(R(x) \Rightarrow(Q(x))$
  4. $\exists ! x(R(x))$
  5. $ \nexists x (Q(x) \land P(x))$

Solución.

  • $\forall x(P(x) \Rightarrow Q(x))$

Nota que siempre que se cumple $2x>0$ entonces $x>0$ (más adelante demostrarás esto con toda formalidad, pero de momento lo daremos por cierto). Por lo tanto la proposición es verdadera.

  • $\exists x (Q(x) \land T(x))$

Para que esto sucediera, necesitaríamos la existencia de al menos un elemento $x$ que cumpla $0<x$ y $x>0$, es decir necesitaríamos un elemento que sea positivo y negativo a la vez, pero esto no es posible. Por lo tanto la proposición es falsa.

  • $\forall x(R(x) \Rightarrow(Q(x))$

Lo que nos dice esta proposición es «Para todo número entero $x$ que cumpla $x=20$ entonces $x>0$» o dicho de otra manera: «Si un número entero es igual a 20, entonces será positivo.» Lo cuál es correcto, pues si el número es distinto a 20, la implicación será correcta (recuerda la tabla de verdad de la implicación), mientras que el único caso en donde la hipótesis se cumple es cuando $x=20$ y claramente es un número que cumple $x>0$. Entonces la proposición es verdadera.

  • $\exists ! x(R(x))$

Esto nos quiere decir que existe un único número entero que sea igual a 20, e inmediatamente podemos saber que es verdadera, pero ¿A qué nos referiremos que un número sea igual a 20? Primero tendríamos que ponernos de acuerdo de qué significa la igualdad. Aunque ahora no lo haremos, piensa el cómo nos aseguraríamos de que es el único número entero que cumple esa propiedad ¿Qué pasaría si no fuera cierto?

  • $ \nexists x (Q(x) \land P(x))$

Lo que dice la proposición es que ningún número $x$ va a cumplir a la vez $x>0$ y $2x>0$, pero esto no es cierto, pues pensemos en $x=1$. Cumple $Q(x)$ ya que $1>0$ y cumple $P(x)$ porque $2*1=2>0$. Entonces podemos decir que es falso pues dimos un contraejemplo que contradijo la proposición.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Álgebra Superior I: Cuantificadores existenciales y universales

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

3 respuestas

Introducción

Hasta ahora hemos visto proposiciones y sus conectores. Por ello, ya podemos decir cómo se manejan las proposiciones al combinarlas, al tener un valor de verdad dado o qué significa que dos proposiciones sean equivalentes.

Sin embargo, hasta ahora hemos trabajado con cierto rigor los objetos a los que nos referimos dentro de una proposición. Por ejemplo cuando decimos la proposición «Este número es impar» puede que sea o no verdadera, pero esto depende de una cosa: el contexto. ¿A qué número nos estamos refiriendo? Podríamos estar en la siguiente conversación: «Hay números distintos a los múltiplos de 2, por ejemplo el 3. Este número es impar. » A esto último, estando en contexto, ya le podríamos asociar un valor de verdad.

En general esto no es así. Podemos ir variando a qué número nos referimos. En ocasiones las proposiciones tienen una variable y, dependiendo el valor de esa variable, cambian su significado o su valor de verdad. En esta entrada formalizamos estas ideas y hablamos de cuantificadores, que nos permitirán «recorrer» todos los valores posibles de una variable.

Términos variables

Volvamos a nuestro ejemplo. Al tomar la proposición $P$ «el número es impar», podríamos referirnos al $1$, $2$, $3$, $80$ o $20,000$. Así, es más conveniente pensar en que la proposición depende de una variable como sigue:

$P(\text{el número})$ = «$\text{el número}$ es impar».

Visto de esta manera, $P(2)$ es la proposición «$2$ es impar». En general $P(x)$ es la proposición «$x$ es impar» y esta hace referencia a que el número es una variable que puede tomar distintos valores «permitidos». Observa que en este caso no tendría sentido decir si $P(\text{azul})$ es verdadero o falso. A este tipo de proposiciones que tienen una variable (o más), se les llama predicados o esquemas proposicionales. La palabra «esquema» viene del hecho de que podríamos estar refiriéndonos a distintas «cosas» dependiendo del valor que tome nuestra variable.

¿Notas que tenemos que ponernos de acuerdo sobre cuál es el contexto sobre el que estamos hablando al momento de asignarle un valor a nuestra variable? Esto debido a que no podríamos decir que «azul es impar» o «la luna es impar». A este «conjunto» dentro del cual pueden tomar valores nuestras variables le llamamos universo de discurso. Aunque suena algo sofisticado, puedes pensarlo como el contexto al que nos estamos acoplando en el sentido del esquema proposicional.

Es muy importante siempre tener claro el universo de discurso de proposiciones con variables. No será lo mismo estar hablando de número pares, que de números enteros. Sabemos que todos los números pares no son impares. Mientras que algunos números enteros son impares. Estas palabras enfatizadas son las que nos van a permitir hablar más sobre cómo es nuestro universo de discurso. No es lo mismo que solo un objeto del universo cumpla un predicado (tenga valor de verdad verdadero) a que todos los objetos de nuestro universo las cumplan.

Cuantificador «para todo»

Introducimos ahora la idea de cuantificadores. Estas son palabras o ideas que nos ayudarán a identificar cuándo se cumplen los predicados o esquemas proposicionales. Por ejemplo, supongamos que dentro de nuestro universo de discurso, todo posible valor de la variable $x$ cumple el predicado $P(x)$. En este caso diremos «para todo $x$ en nuestro universo de discurso, se cumple $P(x)$». Podemos decir simplemente «para todo $x$, $P(x)$, pero es muy importante que el universo de discurso sea claro.

Veamos un ejemplo. Sabemos que todo número par es múltiplo de $2$. En el caso en que nuestro universo de discurso sean los números pares y tengamos al predicado

$P(x)$=$x$ es múltiplo de $2$

podremos decir «para todo $x$, $P(x)$», pues en cualquier asignación de la variable que consideremos en nuestro universo de discurso, se cumplirá el predicado.

Este cuantificador se expresa mediante el símbolo $\forall$ y se lee: para todo. De esta manera:

«para todo $x$, $P(x)$»=$\forall xP(x)$

Algunos ejemplos de cómo podemos usar este cuantificador son los siguientes. Observa cómo se deja claro el universo de discurso.

  • $\forall x$ número par, $x$ es múltiplo de 2.
  • $\forall x$ grupo cíclico, $x$ es generado por un único elemento.
  • $\forall x$ año bisiesto, $x$ tiene 366 días.
  • $\forall (x,y)$ vector en $\mathbb{R}^2$, $\norm{x+y}\leq\norm{x}+\norm{y}.$ *

Recuerda que ahora no es necesario que conozcamos a la perfección el universo de discurso del que estamos hablando en estos ejemplos. En estas entradas no nos interesa estudiar a los pares, a los grupos cíclicos, o a los años bisiestos. Los ponemos como ejemplos únicamente para ver que las ideas de lógica aplican a todos ellos. Por ejemplo para el segundo ejemplo el objetivo es que entiendas que siempre que consideremos un grupo cíclico (sea lo que signifique un grupo o un grupo cíclico), ese grupo es generado por un único elemento (sea lo que signifique que un grupo se genere por un único elemento). En este caso nuestro universo de discurso serán los grupos cíclicos, mientras que $P(x)$=«$x$ es generado por un único elemento». En estos renglones solo nos interesa entender cuándo estamos hablando de un universo de discurso, un cuantificador y un esquema proposicional.

Cuantificadores «existe» y «existe un único»

El cuantificador «para todo» establece que una proposición es verdadera para todos los objetos de un universo de discurso. Pero esto no siempre pasa. Por ejemplo, pensemos en que nuestro universo de discurso es $$A=\{\text{pescados, reptiles, aves, piedras, felinos}\}$$ y nuestro predicado $P(x)$ es «Los gatos son $x$». En este caso no todas las formas de asignar un objeto del universo a la variable $x$ darán proposiciones verdaderas. Los gatos no son pescados, reptiles ni mucho menos piedras o aves. Pero los gatos sí son felinos. En este caso la asignación $x=\text{felinos}$ será la única en la que se cumpla el esquema proposicional.

Cuando tenemos la situación en la que uno de los objetos de nuestro universo de discurso (o más) hagan que se cumpla la proposición, diremos que «para algún $x$ en el universo de discurso se cumple $P(x)$». Es un poco más usual ver esto escrito como «existe $x$ en el universo de discurso que cumple $P(x)$», o simplemente como «existe $x$, $P(x)$», cuando el universo de discurso se sobreentiende.

En matemáticas, escribiremos este «existe» de la siguiente manera: «$\exists$». Algunos ejemplos del uso de este cuantificador son los siguientes:

  • $\exists n$ número entero que es solución a $n^2=4$.
  • $\exists n$ número entero que cumple $e^{i\pi}+n=0.$ **

El cuantificador «existe» tiene una variante más restrictiva. Cuando decimos que existe al menos un elemento en nuestro universo de discurso que cumple una propiedad, también tenemos que puede haber $2$, $3$ o $20$ elementos que lo cumplen. Por ejemplo: «$\exists n$ número entero que es solución a $n^2=4$» tiene dos posibilidades, pues al tomar $n=-2$ o $n=2$ se cumple el predicado.

Pero es muy frecuente en matemáticas que se busque que uno y sólo un elemento cumpla un predicado. Para referirnos a estas ocasiones, usamos el cuantificador «$\exists!$», que se lee como «existe un único«. Por ejemplo, sabemos que el único número primo par es 2. Así que podríamos decir: «$\exists! x$ número entero que es primo y par». Otros ejemplos de su uso son:

  • $\exists!x$ día de la semana tal que $x$ empieza con la letra L
  • $\exists!x$ número real tal que $x$ es neutro aditivo. ***
  • $\exists!n$ número entero que cumple $e^{i\pi}+n=0.$

¿Observas que la última oración se parece mucho al último ejemplo del cuantificador anterior? Y con esto no estamos contradiciendo nada, en el ejemplo anterior solo estamos diciendo «Existe un número entero $n$ que es solución a $e^{i\pi}+n=0$» con lo que queremos decir que existe al menos uno, mientras que en el último ejemplo, decimos «Existe un único número entero $n$ que es solución a $e^{i\pi}+n=0$». Aquí, el objetivo solo es ser más específicos, lo que quiere decir que solo estamos dando información extra acerca de la proposición.

¿Qué sucede si ningún objeto del universo hace que el predicado sea cierto? En ese caso, podremos decir que «no existe $x$, $P(x)$». En símbolos, «$\nexists$». La siguiente tabla resume los cuantificadores de los que hemos hablado.

Para todos los casos$\forall$
Para al menos un caso$\exists$
Para un único caso$\exists!$
Para ningún caso$\nexists$

Combinando conectores y cuantificadores

Habiendo conocido los distintos cuantificadores, podríamos hacer afirmaciones un poco más extensas considerando cómo funcionan. Por ejemplo, pensemos en que nuestro universo de discurso son los números enteros. Consideremos los predicados $P(x)=x<0$ y $Q(x)=x<1$. Entonces podríamos decir:

$\forall x$ número entero $(P(x) \Rightarrow Q(x))$

En palabras: «Para todo número entero $x$, si $x$ es menor a 0, entonces $x$ es menor a 1».

También podemos tener predicados con más de una variable. Por ejemplo, consideremos a los números enteros como nuestro universo de discurso y $P(x,y)$ al predicado $x+y=0$. No hay problema con que dos variables estén en el mismo predicado, y con la notación $(x,y)$ solo estamos diciendo que la proposición depende de dos variables, por ejemplo $P(1,2)$ es la proposición $1+2=0$. Ahora, con este predicado en mente, podríamos enunciar $$\forall x, (\exists! y, P(x,y)).$$

Sólo estaríamos diciendo «para cada número entero $x$, existe un único número entero $y$ tal que $x+y=0$». Dicho de otra forma, cada vez que consideramos un número entero $x$, digamos $3$, existirá un único número entero $y$ que cumplirá la ecuación $x+y=0$. En este caso ese número $y$ es $-3$, pues dijimos que $x=3$ y solo hay un número que al sumarlo a $3$ nos da $0$.

Notas

Estas son algunas anotaciones del artículo y no es necesario que las sepas, únicamente son curiosidades o temas por aparte que forman parte de la cultura matemática.

* Esta se conoce como la desigualdad del triángulo y nos dice básicamente: que la suma de la longitud de dos lados de un triángulo siempre será mayor a la longitud del otro lado.

** Esta identidad se conoce como la identidad de Euler y algunos piensan que es una de las ecuaciones más hermosas de las matemáticas. En otros cursos como Álgebra Superior 2 o Variable Compleja puede que vuelvas a ver esta identidad con su demostración.

*** El único neutro aditivo es el $0$, y esto quiere decir que al sumarle este a cualquier otro número, dará el mismo número.

Más adelante…

Cuando estamos hablando de cuantificadores, también nos van a interesar las negaciones de aquellos cuantificadores, por ejemplo, ¿a qué nos referiremos cuando digamos $\neg (\forall x P(x))$? ¿o cuando digamos $\neg (\exists x (P(x) \Rightarrow Q(x)))$? Para esta tarea primero deberemos hacer un análisis de qué nos dice cada uno de estos cuantificadores en su negación y es justamente lo que estudiaremos en la siguiente entrada.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Imagina que definitivamente quieres comprar un helado. Cuando vas a la heladería, sólo venden un sabor. Esto tiene desventajas, por supuesto. Pero, ¿qué ventajas tiene que sólo haya un sabor de helado? Enlista todas las que puedas.
  2. En los ejemplos siguientes encuentra el universo de discurso y su predicado.
    1. $\forall x$ número par,$x$ es múltiplo de 2.
    2. $\forall x$ año bisiesto, $x$ tiene 366 días.
    3. $\forall (x,y)$ vector en $\mathbb{R}^2$, $\norm{x+y}\leq\norm{x}+\norm{y}$.
  3. Considera el predicado $P(x)=«x$ es múltiplo de 11». Da cuatro universos de discurso tales que los siguientes enunciados sean ciertos:
    • $\forall x P(x)$
    • $\exists x P(x)$
    • $\exists! x P(x)$
    • $\nexists x P(x)$
  4. Considera la proposición: $P(x,y,z)$ = «$x^3+y^3=z^3$». ¿Cuál de los siguientes enunciados representa la oración «No existen números enteros $x,y,z$ que cumplen $P(x,y,z)$»?:
    • $\forall x (\exists y (\exists z P(x,y,z)))$
    • $\nexists (x,y,z)P(x,y,z)$
    • $\forall x (\nexists(y,z)P(x,y,z))$
    • $\nexists x (\forall (x,y) P(x,y,z))$
  5. ¿El ejercicio anterior sólo tiene una solución? Si hay más de una opción correcta, ¿cómo argumentarías que dos enunciados representan el mismo enunciado?

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Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»