Demonstração
Nos posts anteriores definimos porposições, teoremas, corolários, dentre outros. Para demonstrarmos teoremas significa que a proposição dada é uma tautologia, em que obtemos através das tabelas verdades. A seguir, apresentamos alguns métodos para demosntração de resultados.
Método dedutivo
O método dedutivo pe obtido através do uso de definições e outros resultados pré estabelecidos. Para isto, utilizamos as implicações $(\Rightarrow)$ e bi-implicações lógicas $(\Leftrightarrow)$.
Exermplo 1: Com as afirmações a seguir, vamos mostrar se é teorema ou não. Para isto, sejam as hipóteses:
- $H_1$: tempo é dinheiro.
- $H_2$: vagabundo tem muito tempo.
E a tese:
- $T$: vagabundo tem muito dinheiro.
Será que a proposição $H_1 \wedge H_2 \Rightarrow T$ é um teorema?
Suponhamos:
- $p$: “ter tempo”.
- $q$: “ter dinheiro”.
- $r$: “ser vagabundo”.
Com:
- $H_1$: $p\wedge q$ (ter tempo e ter dinheiro).
- $H_2$: $q\rightarrow r$ (ter dinheiro implica em ser vagabundo).
- $T$: $r\rightarrow q$ (ser vagabundo implica ter dinheiro).
Com isso, podemos escrever a proposição:
$$H_1 \wedge H_2 \Rightarrow T$$Hipótese 1 e hipótese 2 implica em Tese.
Como vale a tautologia:
$$(p\rightarrow q)\wedge (r \rightarrow p) \Rightarrow (r \rightarrow q)$$(ter tempo implica ter dinheiro) e (ser vagabundo implica ter tempo) implica em (ser vagabundo implica ter dinheiro).
Portanto, a proposição dada é um teorema.
Do ponto de vista prático pode não fazer sentido este resultado, mas dependendo das afirmações utilizadas, podemos chegar a um absurdo.
Exemplo 2: Com as afirmações a seguir, vamos mostrar se é teorema ou não. Para isto, sejam as hipóteses:
- $H_1$: penso, logo existo.
- $H_2$: pedras não pensam.
E a tese:
- $T$: pedras não existem.
Será que a proposição $H_1 \wedge H_2 \Rightarrow T$ é um teorema?
Suponhamos:
- $p$: “pensar”.
- $q$: “existir”.
Com:
- $H_1$: $p\rightarrow q$ (pensar implica em existir).
- $H_2$: $\sim p$ (não pensar).
- $T$: $\sim q$ (não existir).
Com isso, podemos escrever a proposição:
$$H_1 \wedge H_2 \Rightarrow T$$Hipótese 1 e hipótese 2 implica em Tese.
Como não é um tautologia:
$$(p\rightarrow q)\wedge (\sim p) \Rightarrow (\sim q)$$(pensar implica em existir) e (não pensar) implica em (não existir).
Portanto, a proposição dada não é um teorema.
Este último resultado nem sequer é um resultado, pois nem é teorema. Com isso, o absurdo é natural.
Métodos de Demonstração
Nesta seção, vamos mostrar como demonstrar um teorema $p\Rightarrow q$. Boa parte das demonstrações de resultados caem em um dos trê métodos a seguir:
- Método Direto.
- Método por Contraposição.
- Método por Contradição (
Reduction ad absurdum).
Método Direto
Este método é obtido do método dedutivo, com a suposição da proposição $p$ ser verdadeira e a consequência, a proposição $q$ é uma equivalência lógica. Logo, o objetivo é deduzirmos que $q$ é verdadeira.
Exemplo 3: Se $x$ é um número inteiro par, então $x^2$ é um número inteiro par.
Demonstação:
Para construção deste resultado, assumimos a proposição $p$ verdadeira, isto é, $x$ é um número inteiro par.
Como consequência, temos que $x$ é divisível por 2 (ver post de números pares).
Por definição, $x$ é múltiplo de 2.
Logo, existe $n\in \mathbb{Z}$ tal que $x = 2n$.
Ao elevarmos ao quadrado os dois lados da igualdade, temos:
$$x^2 = (2n)^2 = 4n^2 = 2(2n^2)=2m, \qquad \text{para algum } m\in \mathbb{Z}$$Portanto, $x^2$ é um número inteiro par.
$\square$
Método por Contraposição
O método por contraposição é obtido com a equivalência lógica:
$$p \rightarrow q \Longleftrightarrow ~ \sim q \rightarrow \sim p$$Mais especificamente, para demonstrarmos o teorema:
$$p \Rightarrow q$$Basta, demonstrarmos pelo método direto:
$$\sim q \Rightarrow \sim p$$
Exemplo 4: Se $x$ é um número inteiro tal que $x^2$ é ímpar, então $x$ é um número inteiro ímpar.
Demonstação:
Sejam $p$ e $q$ as proposições:
- $p$: $x^2$ é um número inteiro ímpar.
- $q$: $x$ é um número inteiro ímpar.
e queremos provar a implicação do $p \Rightarrow q$. Neste caso, o método direto não se aplica, pois ao supormos que $x^2$ é um número inteiro ímpar, existe $n\in \mathbb{Z}$ tal que $x^2 = 2n+1$.
Com isso, não podemos deduzir que existe um $m\in \mathbb{Z}$ tal que $x = 2m+1$.
Ao invés disso, vamos usar a equivalência lógica.
Suponhamos a proposição $\sim q: $ $x$ não é ímpar verdadeira, ou seja, $x$ é par.
Do exemplo do método direto, temos que este resultado implica em $\sim p:$ $x^2$ não é ímpar, ou seja, $x^2$ é par.
Portanto, $p \Rightarrow q$.
$\square$
Método por Contradição
O método por contrdição é obtido com a equivalência lógica:
$$p \rightarrow q \Longleftrightarrow ~ (p \wedge \sim q) \rightarrow \sim p$$Mais especificamente, para demonstrarmos o teorema:
$$p \Rightarrow q$$Basta, demonstrarmos:
$$(p \wedge \sim q) \rightarrow \sim p$$e chegamos em um absurdo, pois se $p$ é verdadeira e concluímos que $\sim p$ é também verdadeira. Neste caso chegamos a um resultado
$$p \wedge \sim p$$verdadeiro, que é um contradição.
Exemplo 5: Se $x$ é um número inteiro tal que $x^2$ é par, então $x$ é um número inteiro par.
Demonstação:
Sejam $p$ e $q$ as proposições:
- $p$: $x^2$ é um número inteiro par.
- $q$: $x$ é um número inteiro par.
e queremos provar a implicação do $p \Rightarrow q$.
Pelo método direto, assumimos que $(p \wedge \sim q)$ é verdadeira, ou seja,
- $x^2$ é número inteiro par.
- $x$ é número inteiro ímpar.
Disto, obtemos que $x=2n+1$ para algum $n \in \mathbb{Z}$.
Ao elevarmos ao quadrado os dois lados da igualdade, temos:
$$x^2 = (2n+1)^2 = 4n^2 + 4n + 1 = 2(2n^2 + 2n) + 1 = 2m+1$$para algum $m\in \mathbb{Z}$
Isto implica $\Longrightarrow$ que $x^2$ é um número inteiro ímpar ($\sim p$). Portanto, chegamos a um absurdo, pois supomos $x^2$ par.
Desta forma, resumimos algumas técnicas para demosntração de resultados.