이산수학(Discrete Mathematics)  증명 방법 (Methods of Proof) 2012년 봄학기 강원대학교 컴퓨터과학전공 문양세

증명의 중요성 수학에서 증명이란 증명에서의 기본적 사항 1.5 Methods of Proof 수학에서 증명이란 수학적 문장의 진실성을 정밀하고 부정할 수 없도록 설명하는 정확(correct)하고 완전(complete)한 기술이다. A correct (well-reasoned, logically valid) and complete (clear, detailed) argument that rigorously and undeniably establishes the truth of a mathematical statement 증명에서의 기본적 사항 정확성: Correctness prevents us from fooling ourselves. 완전성: Completeness allows anyone to verify the result.

증명의 응용 분야 학문의 많은 분야에서, 논리적이고 정확한 의사 교환(clear communication)을 위해 사용한다. 1.5 Methods of Proof 학문의 많은 분야에서, 논리적이고 정확한 의사 교환(clear communication)을 위해 사용한다. 수학 분야의 기본적인 행동(연구)은 흥미롭고 밝혀지지 않은 많은 정리(theorem)를 증명을 통해 발견하는 것이다. 정리의 증명은 프로그램 검증(program verification), 컴퓨터 보안, 자동화된 추론 시스템(automated reasoning system) 등에서 사용된다. . . .

추론 규칙(rules of inference) 용어(Terminology) (1/3) 1.5 Methods of Proof 정리(theorem) 정리란 참(true)으로 밝혀진 명제이다. A statement that has been proven to be true. 공리(axiom, postulates) 증명된 정리 혹은 증명하고자 하는 정리의 가정/명제이다. (증명이 불필요한) Assumptions (often unproven) defining the structures about which we are reasoning. (예: n이 짝수라면 n = 2k라 나타낼 수 있다.) 추론 규칙(rules of inference) 논리적으로 유효한 주장(logically valid deductions)을 사용하여, 가정을 결론으로 이끌어가는 증명의 과정이다. Patterns of logically valid deductions from hypotheses to conclusions.

용어(Terminology) (2/3) 보조정리(lemma) 따름정리(corollary) 1.5 Methods of Proof 보조정리(lemma) 다른 정리를 증명하는데 사용하는 간단한 정리이다. A minor theorem used as a stepping-stone to proving a major theorem. “복잡한 내용이 정리이고, 간단한 내용이 보조정리”를 의미하는 것은 아님에 유의! 따름정리(corollary) 어떤 정리가 증명되면, 이에 의하여 자연스럽게 증명되는 정리이다. A minor theorem proved as an easy consequence of a major theorem.

용어(Terminology) (3/3) 가설(conjecture) 이론(theory) 1.5 Methods of Proof 가설(conjecture) 증명되지는 않았지만 참으로 믿어지는 명제이다. A statement whose truth values has not been proven. (A conjecture may be widely believed to be true, regardless.) 이론(theory) 주어진 공리(axiom)로부터 증명이 가능한 모든 정리(theorem)의 집합이다. The set of all theorems that can be proven from a given set of axioms.

추론 규칙 (Inference Rules) (1/2) 1.5 Methods of Proof 추론 규칙의 의미 주어진 가정(antecedent)이 참(true)일 때, 결론(consequent)이 참이라는 패턴 “x = 3”(= p)이면, “x + 1 = 4”(= q)이다. 상기 예에서 p(가정)가 참이면, q(결론)은 참이 된다. 추론 규칙의 표기 antecedent 1 antecedent 2 … 가정  consequent 결론 “”은 “therefore”를 의미한다.

추론 규칙 (Inference Rules) (2/2) 1.5 Methods of Proof 각 추론 규칙은 “항진 명제인 함축(implication)”에 해당한다. ant.1 ant.2 …  con. 에 해당하는 tautology는 “((ant.1  ant.2  … )  con.”이다.

추론 규칙 예제 (1/2) 1.5 Methods of Proof 예제 “It is below freezing now. Therefore, it is either below freezing or raining now.”가 참인 것은 어떤 추론 규칙에 근거하는가? 풀이 p = “It is below freezing now.”, q = “It is raining now.” 주어진 문장은 다음과 같은 추론 규칙에 근거하며, 이를 addition rule이라 한다. p  p  q

Hypothetical syllogism 추론 규칙 예제 (2/2) 1.5 Methods of Proof 예제 “If it rains today, then we will not have a barbecue today. If we do not have a barbecue today, then we will have a barbecue tomorrow. Therefore, if it rains today, then we will have a barbecue tomorrow.”의 추론 근거는? 풀이 p = “It is raining today.” q = “We will not have a barbecue today” r = “We will have a barbecue tomorrow.” p  q q  r  p  r Hypothetical syllogism (삼단논법)

추론 규칙 종류 (1/2) p  p  q p  (p  q) Addition p  q  p (p  q)  p 1.5 Methods of Proof Rule of inference Tautology Name p  p  q p  (p  q) Addition p  q  p (p  q)  p Simplification q  p  q ((p)  (q))  (p  q) Conjunction p  q  q (p  (p  q))  q Modus ponens (긍정 논법) (the mode of affirming) ¬q  ¬p (¬q  (p  q))  ¬p Modus tollens (부정 논법) (the mode of denying) p  q가 true이면, 당연히 p와 q 모두 true이다. p가 true인 상태에서 p  q가 true이면, 당연히 q는 true이다.

추론 규칙 종류 (2/2) p  q q  r  p  r ((p  q)  (q  r))  (p  r) 1.5 Methods of Proof Rule of inference Tautology Name p  q q  r  p  r ((p  q)  (q  r))  (p  r) Hypothetical syllogism (삼단 논법) p  q ¬p  q ((p  q)  ¬p)  q Disjunctive syllogism ¬p  r  q  r ((p  q)  (¬p  r))  (q  r) Resolution (분해) p가 false이고 p  q이 true이면, 당연히 q는 true이다.

Formal Proofs (1/2) Formal Proof의 정의 1.5 Methods of Proof Formal Proof의 정의 Formal proof란 주어진 가정(antecedent)에 기반하여 추론 규칙을 적용한 일련의 단계(step)를 거쳐서 결론(consequent)을 도출하는 과정이다. A formal proof of a conclusion C, given antecedents p1, p2, …, pn consists of a sequence of steps, each of which applies some inference rule to antecedents or to previously proven statements to yield a new true statement (the consequent). 증명(proof)은 주어진 모든 가정이 true일 때 결론이 true임을 보이는 과정이다. A proof demonstrates that if the antecedents are true, then the conclusion is true.

Formal Proofs (2/2) 1.5 Methods of Proof 예제 다음 가정이 “We will be home by sunset.”이라는 결론을 도출함을 보여라. “It is not sunny this afternoon and it is colder than yesterday.” “We will go swimming only if it is sunny.” ( If we will go swimming, then it is sunny this …) “If we do not go swimming, then we will take a canoe trip.” “If we take a canoe trip, then we will be home by sunset.” 풀이 p = “It is sunny this afternoon.” q = “It is colder than yesterday.” r = “We will go swimming.” s = “We will take a canoe trip.” t = “We will be home by sunset.” 단계 과정 이유 1 ¬p  q 가정 2 ¬p 단계 1의 simplification 3 r  p 4 ¬r 단계 2, 3 기반의 Modus tollens 5 ¬r  s 6 s 단계 4, 5 기반의 Modus ponens 7 s  t 8 t 단계 6, 7 기반의 Modus ponens p p  q q Modus ponens ¬q  ¬p Modus tollens

Inference Rules for Quantifiers (1/3) 1.5 Methods of Proof Quantifier를 포함하는 추론 규칙 Universal instantiation xP(x)가 주어졌을 때, xP(x)이 true라면, domain에 속하는 임의의 값(요소) c에 대해서 P(c)가 true임을 보이는데 사용되는 추론 규칙이다. Universal generalization xP(x)가 주어졌을 때, domain에 속하는 모든 값(요소) c에 대해서 P(c)가 true이면, xP(x)가 true임을 보일 때 사용되는 추론 규칙이다. Existential instantiation xP(x)가 주어졌을 때, xP(x)가 true라면, domain안에 P(c)를 true로 하는 값(요소) c가 적어도 하나 이상 있다는 것을 나타내는 추론 규칙이다. Existential generalization xP(x)가 주어졌을 때, 특정 값(요소) c에 대해서 P(c)가 true이면, xP(x)이 true라는 추론 규칙이다.

Inference Rules for Quantifiers (2/3) 1.5 Methods of Proof Quantifier 사용 명제의 추론 규칙 정리 Rule of inference Tautology Name xP(x)  P(c) xP(x)  P(c) Universal instantiation P(c) for an arbitrary c P(c) for an arbitrary c  xP(x) Universal generalization xP(x)  P(c) for some c xP(x)  P(c) for some c Existential instantiation P(c) for some c P(c) for an some c  xP(x) Existential generalization

Inference Rules for Quantifiers (3/3) 1.5 Methods of Proof 예제 다음 가정이 “Maria has taken a course in computer science.”이라는 결론을 도출함을 보여라. “Everyone in this discrete mathematics class has taken a course in computer science.” “Maria is a student in this class.” 풀이 D(x) = “x is in this discrete mathematics class.” C(x) = “x has taken a course in computer science.” 가정: x(D(x)  C(x)), D(Maria) 결론: C(Maria) 추론 과정 단계 과정 이유 1 x(D(x)  C(x)) 가정 2 D(Maria)  C(Maria) 단계 1의 universal instantiation 3 D(Maria) 4 C(Maria) 단계 2, 3 기반의 Modus ponens

Summary of Proof Methods 1.5 Methods of Proof 함축(implication) p  q의 증명을 위하여, 다음 방법들을 사용한다. Direct proof: Assume p is true, and prove q. Indirect proof: Assume ¬q, and prove ¬p. (대우의 증명에 해당) Vacuous proof: Prove ¬p by itself. (가정이 false임을 증명) Trivial proof: Prove q by itself. (결론이 항시 true임을 증명) Proof by cases: To prove (p1  p2  ....  pn)  q, prove ((p1  q)  (p2  q)  ....  (pn  q))

Direct Proof (직접 증명) 1.5 Methods of Proof Implication p  q의 증명을 위하여, p가 true라 가정하고 여러 규칙과 기존에 true로 증명된 정리를 사용하여 q가 true임을 증명한다. 예제 Definition: An integer n is called odd iff n=2k+1 for some integer k; n is even iff n=2k for some k. Axiom: Every integer is either odd or even. Theorem: (For all numbers n) If n is an odd integer, then n2 is an odd integer. Proof: If n is odd, then n = 2k+1 for some integer k. Thus, n2 = (2k+1)2 = 4k2 + 4k + 1 = 2(2k2 + 2k) + 1. Therefore, n2 is of the form 2j + 1 (with j the integer 2k2 + 2k), thus n2 is odd. □

Indirect Proof (간접 증명) Implication p  q 대신 이의 대우인 ¬q  ¬p를 증명한다. 예제 1.5 Methods of Proof Implication p  q 대신 이의 대우인 ¬q  ¬p를 증명한다. 예제 Theorem: (For all integers n) If 3n+2 is odd, then n is odd. Proof: Suppose that the conclusion is false, i.e., n is even. Then n=2k for some integer k. Then 3n+2 = 3(2k)+2 = 6k+2 = 2(3k+1). Thus 3n+2 is even, because it equals 2j for integer j = 3k+1. So 3n+2 is not odd. We have shown that ¬(n is odd)→¬(3n+2 is odd), thus its contra-positive (3n+2 is odd) → (n is odd) is also true. □

Vacuous Proof (무의미한 증명) 1.5 Methods of Proof 가정(p)이 false임을 보임으로서, 결론(q)이 true임을 증명한다. 예제 Theorem: (For all n) If n is both odd and even, then n2 = n + n. Proof: The statement “n is both odd and even” is obviously false since no number can be both odd and even. So, the theorem is vacuously true. □

Trivial Proof (자명한 증명) 1.5 Methods of Proof Implication p  q에서, 결론(q)이 trivial하게 true임을 증명한다. 예제 Theorem: (For integers n) If n is the sum of two prime numbers, then either n is odd or n is even. Proof: Any integer n is either odd or even. So the conclusion of the implication is true regardless of the truth of the antecedent. Thus the implication is true trivially. □

Proof by Contradiction (모순에 의한 증명) (1/2) 1.5 Methods of Proof 증명 방법 A method for proving p. (p를 증명하고자 하는 방법이다.) Assume ¬p, and prove some proposition q is contradiction (i.e., q is always false.) (p를 부정하면 항시 거짓이 되는 명제가 있음을 보인다. 즉, ¬pF을 보인다.) Then, ¬pF, which is only true if ¬p=F (¬pF이 참이 되기 위해서는 ¬p가 거짓이어야 한다.) Thus, p is true. (따라서, p는 참이 된다.) 주어진 가정(p)을 부정(false)했을 때 항상 false가 되는 명제 q가 있음을 보이면, p의 가정이 잘못되었으므로 p는 true가 된다. (가정을 부정했을 때, 결론이 항시 거짓이 되면, “가정을 부정”한 것이 잘못된 것이다. 따라서, 가정은 참이다.) * 타임 머신의 예: “우리는 과거로 돌아갈 수 없다.” 왜? 내가 과거로 돌아갈 수 있다 하자. 만일 과거로 돌아가서, 내 부모님이 만나지 못하게 한다면 … 지금의 나는?

Proof by Contradiction (모순에 의한 증명) (2/2) 1.5 Methods of Proof 예제 ( skip) Theorem: (For all integers n) If 3n+2 is odd, then n is odd. (indirect proof의 예제) Proof: Suppose 3n+2 is odd and n is even. [¬(p  q)  ¬(¬p  q)  p  ¬q ] And, we can prove that “If n is even, then 3n+2 is odd.”. (by the same proof steps showed in the example of indirect proof.) Then, this conclusion is contradiction of assumption (i.e., 3n+2 is odd.) Therefore, the given implication is true. □ 개념적인 다른 예제: n이 정수라 할 때, 2n은 짝수이다. 만일, 2n이 홀수라 하자. 그러면, 2n = 2k+1인 정수 k가 존재한다. 그러면, k = (2n – 1)/2가 되는데, 이는 정수가 아니다. 따라서, 2n은 홀수가 아니고, 이는 가정(2n이 홀수)이 잘못되었음을 의미한다. 따라서, 2n은 짝수이다.

Proof by Cases (사례에 의한 증명) (1/2) 1.5 Methods of Proof 가정이 논리합으로 구성된 (p1  p2  ....  pn)  q 형태를 증명하기 위하여, 다음과 같은 tautology를 사용한다 (p1  p2  ....  pn)  q  ((p1  q)  (p2  q)  ....  (pn  q)) 즉, 각각의 (pi  q)를 증명함으로써 전체를 증명하는 방법이다.

Proof by Cases (사례에 의한 증명) (2/2) 1.5 Methods of Proof 예제 Theorem: |xy| = |x||y|, where x and y are real numbers. (|x| = x if x  0, |x| = -x if x < 0) Proof: p = x and y are real numbers, q = |xy| = |x||y| p = {x  0, y  0}  {x  0, y < 0}  {x < 0, y  0}  {x < 0, y < 0} {x  0, y  0}  q: |xy| = xy = |x||y| {x  0, y < 0}  q: |xy| = -xy = x(-y) = |x||y| … All the possible cases are proven to true, and thus, the theorem is proven.□

Proof of Equivalence (동치 증명) 1.5 Methods of Proof 상호조건 p ↔ q(“p if and only if q”)을 증명하기 위해서는 다음과 같은 tautology를 사용한다. (p ↔ q)  ((p  q)  (q  p)) 즉, (p  q)를 증명하고 (q  p)를 증명함으로써, (p ↔ q)를 증명한다.

Existence Proof (존재 증명) (1/2) 1.5 Methods of Proof 증명하고자 하는 문장에 xP(x) 형태의 quantifier/predicate가 포함된 경우를 존재 증명(existence proof)이라 한다. If the proof of a statement of the form xP(x) is called an existence proof.

Existence Proof (존재 증명) (2/2) 1.5 Methods of Proof 예제 Theorem: There exists a positive integer n that is the sum of two perfect cubes in two different ways. (두 수의 세제곱의 합을 두 가지 방법으로 나타낼 수 있는 정수가 존재한다.) (In other words, there exists a positive integer n such that n = j3 + k3 = l3 + m3, where j, k, l, and m are positive integers, and {j, k}  {l, m}.) Proof: Consider n = 1729, j = 9, k = 10, l = 1, m = 12. Now just check that the equalities hold. □

Uniqueness Proof (유일성 증명) 1.5 Methods of Proof 유일하게 하나의 값(요소)만이 주어진 특성을 만족하는 경우를 유일성이라 하고, 이의 증명을 유일성 증명(uniqueness proof)이라 한다. 유일성의 증명 과정 존재 : x가 주어진 특성을 가짐을 보인다. 유일성 : 만일 y  x이면, y는 주어진 특성을 갖지 않음을 보인다. “P(x)를 만족하는 x가 유일하게 하나 존재함을 증명하는 과정은 다음 표현을 증명하는 것과 동일하다. ( 가장 절친한 친구는 오직 한 명이다.) x(P(x)  y(y  x  ¬P(y)))

Mistakes in Proofs 예제 (mistakes in proof) Theorem: Prove 1 = 2. Proof: 1.5 Methods of Proof 예제 (mistakes in proof) Theorem: Prove 1 = 2. Proof: Let a and b be the same positive integers. a = b [주어진 정의] a2 = ab [양변에 a를 곱함] a2 - b2 = ab - b2 [양변에서 b2를 뺌] (a – b)(a + b) = b(a – b) [인수분해] a + b = b [양변을 (a-b)로 나눔] 2b = b [since a = b] 2 = 1. [양변을 b로 나눔] What is wrong?  (a – b) is zero since a = b, and thus, we cannot use (a – b) as a divisor.

Homework #1 1.5 Methods of Proof