Propostes de temes sobre el llengutatge matemàtic (pel curs 2021/22)


2 de juny de 2021

(Enllaç a aquest document en html)
(Enllaç a la versió pdf d’aquest document)
(Enllaç a la font LaTeX)
(Enllaç als fitxers de les figures)
(Enllaç al fitxer de definicions latex)

Índex

1 Introducció
2 T0 El llenguatge de les Matemàtiques I
  2.0.1 Guia 01 Llenguatge dels conjunts
  2.0.2 Quizz pre-classe 01
  2.0.3 Clickers 01
  2.0.4 Guia 02 Lògica de les proposicions
  2.0.5 Quizz pre-classe 02
  2.0.6 Clickers 02
  2.0.7 Exercicis Llista
  2.0.8 Exercicis extra
3 T0B El llenguatge de les matemàtiques II
  3.0.1 Guia 0B1: Tots o algun, els quantificadors lògics
  3.0.2 Quizz pre-classe 0B1
  3.0.3 Guia 0B2 La demostració matemàtica
  3.0.4 Quizz pre-classe 0B2
  3.0.5 Exercicis Llista
  3.0.6 Exercicis extra

1 Introducció

Aquest document inclou una proposta completa del que podria ser una nova primera setmana dedicada a una petita introducció al llenguatge formal de les matemàtiques i una possible segona setmana per a mates II o III.

La secció T0 correspondria a una primera setmana de mates I, la secció T0B a la possible segona setmana. Inclouen propostes de guies estructurades en slides, qüestionaris breus pre-classe per després de la primera lectura de la guia i llistes d’exercicis.

2 T0 El llenguatge de les Matemàtiques I

Es tracta de fer una lleu introducció al llenguatge formal, limitat a l’àlgebra de conjunts i la de Boole elemental. Posem davant els conjunts perquè probablement els són més familiars i els poden ajudar a entrar en el més abstracta de la lògica formal, que tractem només somerament, sense entrar en taules de veritat, demostracions, etc. que poden ser objecte de tractament a mates II o III.

Referències:

2.0.1 Guia 01 Llenguatge dels conjunts
______________________________________________________________
Definicions

Un conjunt és una col·lecció d’objectes considerada com una sola entitat.

Dels objectes en diem que són els membres o elements del conjunt.

Exemples:

Els conjunts es poden descriure per enumeració o a través d’una propietat que els seus elements o membres han de satisfer. El darrer exemple el podem descriure:

E = {2,4, 6, 8} = {n ∈ N : n < 10}

El signe es llegeix “pertany a” i l’usem per afirmar que un element forma part d’un conjunt. Si no en forma part, escriurem a∕∈A. ____________________________________________________________________________________________

Subconjunts

Diem que un conjunt A és subconjunt d’un conjunt B si tots els elements de A també ho són de B. Llavors escribim A B.

Per exemple, si A és el conjunt dels treballadors d’una empresa i B és el conjunt dels administratius de l’empresa, B A.

Sempre es compleix que A A. De fet, dos conjunts A i B són iguals, A = B si i només si A B i B A.

El conjunt especial és el que no té cap element, per exemple. el conjunt de les vaques que poden volar._______________

Operacions amb conjunts



Unió de A i BA BEls elements que pertanyen almenys a un dels dos



Intersecció A BEls elements que pertanyen a tots dos



Diferència A\B Elements de A que no ho són de B



Els diagrames de Venn són útils per visualitzar això.
PIC

Exemple: Si A = {a,b,c,d} i B = {c,d,e,f,g}, llavors

Es compleixen les següents propietats, que podem comprovar amb els corresponents diagrames de Venn:

O1
A A = A, A A = A
O2
A ∪∅= A, A ∩∅=
O3
A B = B A, A B = B A
O2
(A (B C) = (A B) C. Ho escriurem A B C
O3
(A (B C) = (A B) C. Ho escriurem A B C
O4
A (B C) = (A B) (A C)
O5
A (B C) = (A B) (A C)
__________________________________________________________________
Complementari

En el cas que tractem amb conjunts inclosos en un cert univers, podem parlar del conjunt complementari, el que està format pels elements que no hi pertanyen. Indiquem amb A o Ac el complementari de A.

Es compleixen les següents propietats, que podem comprovar amb els corresponents diagrames de Venn:

C1
A′′= A
C2
(A B)= A′∩ B
C3
(A B)= A′∪ B

Podeu practicar amb diagrames de Venn de conjunts i els seus complementaris a https://www.geogebra.org/m/KSuUb2TR.

Per exemple, així es veu (A B): PIC_____________________________________________________________________________________________________

2.0.2 Quizz pre-classe 01

2.0.3 Clickers 01

2.0.4 Guia 02 Lògica de les proposicions
_____________________________________________________________
Proposicions

Una proposició o enunciat és una afirmació que pot ser veritable o falsa. Per exemple “2 + 2 = 5”, o “x = 2 és solució de x2 - 4”.

No considerem que “El color vermell és bonic” sigui una proposició.

Sovint expressem una proposició amb una lletra, per exemple p = “5 és un nombre primer”. ____________________

Operacions amb proposicions



És veritat quan



Negació de p ¬p p és falsa
Disjunció de p i q p ó q, p qAlmenys una de les dues és veritat
Conjunció de p i qp i q, p q Totes dues són veritat
Implicació p q Sempre que p és veritat, q també ho és
Equivalència p q Sempre que una de les dues és veritat, l’altra també



Exemples:

Quan tenim p q, diem que:

Exemples:

______________________________________________________________________________________________
Regles lògiques

Per a p,q proposicions,

L1
¬(¬p) és equivalent a p
L2
¬(p q) és equivalent a ¬p ∨ ¬q
L3
¬(p q) és equivalent a ¬p ∧ ¬q
L4
p q és equivalent a ¬q ¬p

Exemples:

Observem el paral·lelisme entre:

Negació i complementari d’un conjunt:x Aequival a ¬(x A).
Disjunció i unió de conjunts: x A B equival a x A x B.
Conjunció i intersecció: x A B equival a x A x B.
Implicació i inclusió: A B equival a x A x B.

2.0.5 Quizz pre-classe 02

2.0.6 Clickers 02

  1. Quines de les següents frases són proposicions:
  2. Marca les correctes:
    1. Ser un hipopòtam és CN per ser un animal
    2. Ser bomber és CS per ser persona
    3. Ser un cotxe és CN per ser una màquina
    4. Tenir 18 anys és CN per traure’s el carnet de conduir.
  3. La negació de “Plou i fa sol” és
    1. No plou i no fa sol
    2. Ni plou ni fa sol
    3. No plou o no fa sol
    4. Plou però no fa sol
    5. Quan plou de vegades fa sol
  4. Marca les correctes. Si diem que p implica q
    1. p és condició necessària per q
    2. p és condició suficient per q
    3. q és condició necessària per p
    4. q és condició suficient per p
  5. Substitueix l’espai en blanc per “condició necessària”, “condició suficient”, o “condició necessària i suficient”.
    1. 2x + 5 > 13 és              per x 0
    2. x 50 és              per x 0
    3. x 0 és              per x 4
  6. Substitueix l’espai en blanc per “si”, “només si”, o “si i només si”.
    1. x = √-
 4              x = 2
    2. x2 > 0              x > 0
    3. x2 = 4              x = 2
    4. x2 = 4              x = 2 x = -2
    5. x2 < 9              x < 3
    6. x(x2 + 1) = 0              x = 0
    7. x(x + 3)              x > -3
  7. Per cada proposició de les següents, diues quins valors de a fan que sigui veritat.
    1. 3 < 4 i a = 12
    2. 4 < 3 i a = 12
    3. 4 < 3 ó a = 12
    4. Si a = 4 × 3, llavors 3 < 4
    5. Si a = 4 × 3, llavors 3 > 4
    6. Si 3 > 4. llavors a = 4 × 3

Més clickers sobre logica proposicional bàsica: http://myslu.stlawu.edu/~plock/Math280Clicker/Ma280-1.ppt

A la mateixa pàgina n’hi ha d’altres sobre quantificadors, http://myslu.stlawu.edu/~plock/Math280Clicker/Ma280-3.ppt, demostracions, etc que podrien ser utils per una setmana de mates II.

2.0.7 Exercicis Llista

  1. Tal com ho hem definit, quan diem P o Q, entenem un “o” inclusiva, és a dir, si diem que P Q, estem dient que una de les dues o totes dues són certes.
    De vegades ens interessa expressar una disjunció excloent, és a dir que només sigui certa quan una de les dues i no totes dues siguin certes.
    1. Fent servir només les connectives ,,¬, expressa la proposició: Exactament una de les dues, P o Q són veritat.
    2. Com expresses la contrària de l’anterior amb paraules?
    3. Com expresses aquesta negació formalment?
  2. Se’n poden traure del S&H 1.7: PIC

2.0.8 Exercicis extra

PIC

3 T0B El llenguatge de les matemàtiques II

Es tracta d’ampliar una mica el que s’ha fet a Matemàtiques I sobre el llenguatge. Allà s’ha tractat el llenguatge dels conjunts i els elements bàsics de la lògica booleana.

Aquí introduirem els quantificadors universal i existencial amb un repàs de les regles bàsiques dels connectors i en una segona guia alguns elements dels mètodes de demostració.

Referències:

3.0.1 Guia 0B1: Tots o algun, els quantificadors lògics
__________________________________________________
Slide 0: Proposicions amb quantificador

Recordem:




És veritat quan



Negació de p ¬p p és falsa
Disjunció de p i q p ó q, p qAlmenys una de les dues és veritat
Conjunció de p i qp i q, p q Totes dues són veritat
Implicació p q Sempre que p és veritat, q també ho és
Equivalència p q Sempre que una de les dues és veritat, l’altra també



I recordem encara:



L1¬(¬p) és equivalent a p
L2 ¬(p q) és equivalent a ¬p ∨ ¬q
L3 ¬(p q) és equivalent a ¬p ∧ ¬q
L4 p q és equivalent a ¬q ¬p


Nota: En llenguatge no formal hi ha expressions que poden confondre. Per exemple, en català, les expressions “Res no és gratuït, tot té un preu” i “Res és gratuït, tot té un preu” es consideren vàlides i equivalents. __________________

Slide 1: Proposicions amb quantificador

Si tenim un conjunt X i una afirmació p(x) sobre els seus elements x X que pot ser veritat o falsa, podem dir



Escrivim Llegim


x X,p(x) Per a tots els x de X, p(x) es compleix
x X : p(x)Existeix algún (almenys un) x de X tal que p(x) es compleix


Exemples, per N, el conjunt dels nombres naturals, les següents són veritat:

però les següents són falses:

____________________________________________________________________________
Slide 2: Negació amb quantificadors

La negació canvia un quantificador en l’altre.





El contrari de Tot x compleix p(x) ésAlgun x no compleix p(x)
El contrari de Algun x compleix p(x)ésTot x no compleix p(x)




En versió formal:




¬(∀x ∈ X, p(x))equival ax X,¬p(x)
¬(∃x ∈ X, p(x)) equival ax X,¬p(x)



Exemples:

Exemples en notació formal:

Exemples (al tanto amb el llenguatge poc formal, pot induir a confusions, sovint va bé formalitzar la proposició)

______________________________________________________________________________________
Slide 3: Negació amb quantificadors – 2
En cap cap cap el que cap en aquest cap

Observa que si en una proposició es combina algun quantificador amb altres connectives, cal anar al tanto! I si a més a més s’hi barreja el llenguatge no formal, més perill!

Exemples

Formalitzem aquest darrer exemple: posem A el conjunt de països africans. p(a) = el país a te la Pfizer. q(a) = el país a té la Moderna”. Llavors traduïm:

___________________________________________________________________________________
Slide 4: Negació amb quantificadors i implicacions

Si recordem que ¬(p q) és equivalent a p ∧ ¬q, podem dir ara:





El contrari dePer tot x es compleix p(x) q(x)ésPer algun x es té p(x) i ¬q(x)




3.0.2 Quizz pre-classe 0B1

  1. Repassem les connectives lògiques que vem veure anteriorment.
    1. Digues si són veritat o no les següents afirmacions.
      1. Per expressar p ó q fem servir p q.
      2. Si diem que p ó q és veritat, no pot ser que p i q siguin totes dues veritat.
      3. Si diem que p i q és fals, totes dues p i q han de ser falses.
      4. Si diem que p q és veritat, llavors q ha de ser veritat.
  2. Quina diries que és la contrària de “Totes les meves amigues tenen moto o cotxe”?
    1. Totes les meves amigues no tenen moto.
    2. Totes les meves amigues no tenen moto ni cotxe.
    3. Alguna amiga meva no té cotxe.
    4. Alguna amiga meva no té moto ni cotxe.
  3. Si és cert que “Si plou llavors el pati està mullat”, i sabem que el pati està sec,

3.0.3 Guia 0B2 La demostració matemàtica

En aquesta guia introduïm les idees bàsiques dels mètodes de demostració matemàtica. Tractarem

La demostració per inducció quedaria per a treball opcional per a matrícula. ________________________________

Slide 0: La demostració matemàtica

És un mètode que consisteix en demostrar que una conclusió és veritat a partir de una o diverses hipòtesis veritables.

Exemple: Demostrar que la suma de dos nombres parells és un nombre parell.

La hipòtesi és que dos nombres n,m són parells.

La conclusió és que la suma n + m és parell.

Demostració: Suposant que n,m són nombres naturals parells, hem de demostrar que n + m és un nombre parell.
Segons la definició de nombre parell, podem escriure n = 2k1,m = 2k2.
Llavors, n + m = 2k1 + 2k2 = 2(k1 + k2), i per tant, n + m és parell.

QED

__________
Slide 1: Demostració directa

La que acabem de veure és una demostració directa: a partir de la hipòtesi fem una cadena de raonaments lògics correctes per arribar a la conclusió.

Un altre exemple: Demostrar que el quadrat d’un nombre parell és parell.

Demostració: Suposant que n és un nombre natural parell (hipòtesi),
hem de demostrar que n2 és un nombre parell (conclusió).
Segons la definició de nombre parell, podem escriure n = 2k.
Llavors, n2 = 4k2 = 2(2k2), i per tant, n2 és parell.

QED

Proveu ara de demostrar que “El producte de dos nombres senars és senar”. _________________________________

Slide 2: Demostració indirecta per contraposició

Recordem que P Q és equivalent a ¬Q ¬P, o dit d’altra manera: Si P llavors Q és equivalent a “Si noQ, llavors noP”.

La demostració per contraposició de “Si P, llavors Q” consisteix en demostrar que “Si noQ, llavors noP”.

Exemple: Per demostrar que “Si n2 és parell, n és parell”, ho fem per contraposició, demostrarem que “Si n no és parell, n2 no és parell.”

Demostració: Si n és un nombre natural no parell, llavors és senar.
Si n és senar, com que el producte de dos senars és senar, n n = n2 és senar.

QED

__________
Slide 3: Demostració indirecta per contradicció

La demostració per contradicció o per reducció a l’absurd consisteix en suposar falsa la conclusió i arribar a una contradicció, a una afirmació impossible de ser certa.

Exemple

Demostrar que √2- no és racional, és a dir que no es pot expressar com √2- = a∕b amb a,b enters.

Demostració: Suposem contràriament que sí es pot tenir √ -
  2 = a∕b amb a,b enters.
Si ambdós a i b són parells, els dividim per dos fins que no siguin tots dos parells.
Llavors tenim 2 = a2∕b2 o bé a2 = 2b2 i veiem que a2 és parell i per tant a és parell.
Podem escriure, a = 2k per algún enter k, a2 = 4k2 = 2b2, i tenim b2 = 2k2.
Resulta que b2 és parell i per tant b és parell també: contradicció perqué haviem vist que b era senar!

QED

Un exemple no matemàtic: El Sr. X no és culpable de l’assessinat de Y.
Demostració: Demostració per reducció a l’absurd:
Si contràriament fos culpable, necessàriament havia de ser en el lloc dels fets el dia D.
Però sabem que X era a la Patagònia el dia D, i no pot ser que fos a dos llocs tant distants el mateix dia: contradicció!

QED

Exemple: Demostrar (per contradicció) que per n Z, si 3n + 2 és senar, llavors n és senar.
Demostració: Si contràriament fos 3n + 2 senar i n parell,
podriem escriure n = 2k per algún k Z.
I tindriem 3n + 2 = 3(2k) + 2 = 6k + 2 = 2(3k + 1) amb la qual cosa 3n + 2 seria parell,
contradicció! Per tant no pot ser n parell, ha de ser n senar.

QED

Observa que: Sovint una demostració per contradicció es pot reformular com una demostració per contraposició.__

Slide 4: Més exemples

Demostrar que, Donats dos nombres naturals m,n, tots dos són senars si i només si el producte mn és senar.

Cal fer dues demostracions:

1.- m i n són senars mn és senar.
Demostració: Demostració directa: Posem m = 2k1 + 1,n = 2k2 + 1.
Tindrem mn = (2k1 + 1)(2k2 + 1) = 4k1k2 + 2k1 + 2k2 + 1 = 2(2k1k2 + k1 + k2) + 1 que és senar.

QED

2.- m i n són senars mn és senar.
Demostració: Demostració per contraposició: Si algún m o n no és senar, demostrarem que mn no és senar.
Posem que m és parell (si fos n qui és parell, els intrecanviem).
Llavors tenim m = 2k, i llavors mn = 2kn és parell. Per tant la contrapositiva és veritat.

QED

Demostrar que Donats dos nombres naturals m,n, si m + n és senar, llavors exactament un dels dos m o n és senar.

Tenim dues proposicions:
P : La suma m + n és senar.,
Q : Exactament un dels dos, m o n és senar,
i volem veure que P Q.

És més senzill demostrar, per contraposició, que ¬Q ¬P, és a dir que
¬Q : tots dos són senars o tots dos són parells,
¬P : la suma no és senar.

Demostració: Hi ha dos casos:
Cas 1.- Tots dos són senars: m = 2k1 + 1,n = 2k2 + 1,
Llavors m + n = 2(k1 + k2 + 1) és parell. QED. Cas 2.- Tots dos són parells, m = 2k1,n = 2k2.
Llavors m + n = 2(k1 + k2) també és parell. QED
______

Slide 5: Fals per contraexemple

Per mostrar que una afirmació dels tipus “Tots els …compleixen …” és falsa, només cal trobar un cas que no ho compleix. Haurem provat que és veritable la contrària “Existeix un …que no compleix …”.

En diem un contraexemple.

Atenció: Un exemple no mostra que l’afirmació sigui veritable, un contraexemple sí mostra que és falsa!

3.0.4 Quizz pre-classe 0B2

3.0.5 Exercicis Llista

  1. Expressa la contrària de cadascuna de les següents afirmacions. Recorda que no es tracta aquí si són afirmacions verdaderes o no.
    1. Cada dia de les vacances vem anar a la platja o al parc d’atraccions
    2. Totes les treballadores de l’empresa tenen categoria inferior a D.
    3. Tots els nois de la classe porten bambes Rivuk.
    4. Alguna noia de la classe porta texans Leibis.
    5. Algun dels meus amics és alemany.
    6. Cap professor de la facultat és de nacionalitat australiana.
    7. La funció f(x) és diferenciable en tots els punts de (0,1).
    8. Tot nombre natural és parell o senar.
    9. Tot múltiple de 3 és també múltiple de 5.
    10. Existeix un punt x0 tal que f(x0) = 0.
    11. Per tots els punts x1 > x2 de l’interval (0,1) es compleix f(x1) > f(x2).
    12. En algun punt x0 del domini de la funció f(x), es compleix que f(x) = 0 i f′′(x0) < 0.
    13. La matriu M té alguna fila amb tots els elements iguals a zero.
  2. (problema 1.6-1 de S&H) Considerem l’afirmació (discutible): Si la inflació augmenta, l’atur disminueix. Digues quines de les següents afirmacions són equivalents.
    1. Perquè disminueixi l’atur cal que augmenti la inflació.
    2. Una condició suficient per tal que disminueixi l’atur és que creixi la inflació.
    3. L’atur disminueix només si creix la inflació.
    4. Si l’atur no disminueix, la inflació no creix.
    5. Una condició necessària per tal que creixi la inflació és que l’atur disminueixi.
  3. Expressa les set primeres afirmacions de l’exercici anterior en la forma x X,p(x) o en la forma x X : p(x) segons el cas. Per exemple, per la primera, direm: Sigui X el conjunt dels dies de vacances, p(x) = “El dia x vem anar a la platja” i q(x) = “El dia x vem anar al parc d’atraccions”. L’afirmació queda expressada amb x X,p(x) q(x).
  4. Demostra (per demostració directa) que la suma de cinc nombres naturals consecutius és múltiple de cinc.
  5. Eficiència Pareto En el llibre de text de Introducció a la Microeconomia que heu estudiat trobem, a 5.8.1 La curva de eficiencia de Pareto la següent definició: Una asignación factible es eficiente en términos de Pareto si no existe una asignación dominante en términos de Pareto: es decir, nadie puede mejorar sin empeorar la situación de otro.

    Llegeix altre cop el capítol si no tens clar què vol dir la eficiència en termes Pareto.

    Aquí ens interessa formalitzar els conceptes que apareixen. Posem que A1,A2 siguin dues assignacions factibles, és a dir que assignen a cada individu unes quantitats que no superen el disponible i denotem A1(i),A2(i) la utilitat que obté l’individu i segons les assignacions respectives.

    Diem que A1 domina A2 si, per tots els individus, l’assignació segons A1 és més gran o igual que segons A2, és a dir que i,A1(i) A2(i) . Escribim A1 A2 en aquest cas.

    Llavors, si A denota el conjunt d’assignacions factibles, diem que A és una assignació Pareto-eficient si A A,A A.

    1. Digues si per qualsevol assignació A és cert que A A. Resposta: Sí és cert, perquè per qualsevol individu es compleix A(i) A(i).
    2. Expressa fent aquestes notacions la afirmació “A1 no domina A2”.
      Resposta: Existeix algun individu pel qual l’assignació segons A1 no és major o igual que segons A2, o bé: i : A1(i) < A2(i).
    3. Creus que “A1 no domina A2” és aquivalent a “A2 domina A1”?. Raona la teva resposta.
      Resposta: No. La segona afirmació diu que per tots els individus la assignació segons A1 és menor o igual que segons A2.
    4. Expressa amb les teves paraules la afirmació “A no és una assignació Pareto-eficient”. Resposta: Voldrà dir que hi ha alguna assignació A A tal que A no domina A.

3.0.6 Exercicis extra

  1. (Problema 1.6-2 del S&H) Analitzeu el següent epitafi (a) des del punt de vista lògic i (b) des del punt de vista poètic.

    Els que el van conèixer el van estimar
    Els que no el van estimar no el van conèixer.