Lektion 3.4

Grundlegende Beweistechniken

15 min Lesezeit

In der Mathematik beweisen wir Aussagen. Aber wie führt man einen Beweis? Es gibt verschiedene Beweistechniken, die immer wieder verwendet werden. Hier lernen wir die wichtigsten kennen.

Definition

Direkter Beweis

Ein direkter Beweis für "ABA \Rightarrow B" geht so:

1. Nimm an, dass A wahr ist
2. Leite durch logische Schritte B ab
3. Schließe: Also gilt ABA \Rightarrow B

Beispiel: Beweise "Wenn nn gerade ist, dann ist n2n^2 gerade."

Sei nn gerade. Dann gibt es ein kk mit n=2kn = 2k.
Also: n2=(2k)2=4k2=2(2k2)n^2 = (2k)^2 = 4k^2 = 2 \cdot (2k^2).
Das ist ein Vielfaches von 2, also gerade.

Zeige AB durch: Angenommen A, zeige B\text{Zeige } A \Rightarrow B \text{ durch: Angenommen } A \text{, zeige } B
Definition

Beweis durch Kontraposition

Die Kontraposition nutzt: ABA \Rightarrow B ist äquivalent zu ¬B¬A\neg B \Rightarrow \neg A.

Beispiel: Beweise "Wenn n2n^2 gerade ist, dann ist nn gerade."

Stattdessen zeigen wir: "Wenn nn ungerade ist, dann ist n2n^2 ungerade."

Sei nn ungerade, also n=2k+1n = 2k + 1.
Dann: n2=(2k+1)2=4k2+4k+1=2(2k2+2k)+1n^2 = (2k+1)^2 = 4k^2 + 4k + 1 = 2(2k^2 + 2k) + 1
Das ist ungerade (Rest 1 bei Division durch 2).

AB    ¬B¬AA \Rightarrow B \;\equiv\; \neg B \Rightarrow \neg A
Definition

Widerspruchsbeweis

Ein Widerspruchsbeweis zeigt:

1. Nimm das Gegenteil der Behauptung an
2. Leite daraus einen Widerspruch ab
3. Schließe: Also muss die ursprüngliche Behauptung wahr sein

Beispiel: Beweise "2\sqrt{2} ist irrational."

Angenommen, 2\sqrt{2} wäre rational, also 2=pq\sqrt{2} = \frac{p}{q} (gekürzt).
Dann 2=p2q22 = \frac{p^2}{q^2}, also p2=2q2p^2 = 2q^2.
Also ist p2p^2 gerade, also pp gerade, also p=2kp = 2k...
...und schließlich: pp und qq sind beide gerade – Widerspruch zur gekürzten Form!

Zeige A durch: Angenommen ¬A, leite Widerspruch ab\text{Zeige } A \text{ durch: Angenommen } \neg A \text{, leite Widerspruch ab}

Zusammenfassung

  • Direkter Beweis: Aus der Voraussetzung die Behauptung ableiten

  • Kontraposition: ABA \Rightarrow B durch ¬B¬A\neg B \Rightarrow \neg A zeigen

  • Widerspruchsbeweis: Gegenteil annehmen, Widerspruch ableiten

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Welche Beweistechnik ist für "Es gibt keine größte Primzahl" am besten geeignet?

Lektion 3.4 · Prädikatenlogik
• • •

Grundlegende Beweistechniken

In der Mathematik beweisen wir Aussagen. Aber wie führt man einen Beweis? Es gibt verschiedene Beweistechniken, die immer wieder verwendet werden. Hier lernen wir die wichtigsten kennen.

Definition

Direkter Beweis

Ein direkter Beweis für "ABA \Rightarrow B" geht so:

1. Nimm an, dass A wahr ist
2. Leite durch logische Schritte B ab
3. Schließe: Also gilt ABA \Rightarrow B

Beispiel: Beweise "Wenn nn gerade ist, dann ist n2n^2 gerade."

Sei nn gerade. Dann gibt es ein kk mit n=2kn = 2k.
Also: n2=(2k)2=4k2=2(2k2)n^2 = (2k)^2 = 4k^2 = 2 \cdot (2k^2).
Das ist ein Vielfaches von 2, also gerade.

Zeige AB durch: Angenommen A, zeige B\text{Zeige } A \Rightarrow B \text{ durch: Angenommen } A \text{, zeige } B
Definition

Beweis durch Kontraposition

Die Kontraposition nutzt: ABA \Rightarrow B ist äquivalent zu ¬B¬A\neg B \Rightarrow \neg A.

Beispiel: Beweise "Wenn n2n^2 gerade ist, dann ist nn gerade."

Stattdessen zeigen wir: "Wenn nn ungerade ist, dann ist n2n^2 ungerade."

Sei nn ungerade, also n=2k+1n = 2k + 1.
Dann: n2=(2k+1)2=4k2+4k+1=2(2k2+2k)+1n^2 = (2k+1)^2 = 4k^2 + 4k + 1 = 2(2k^2 + 2k) + 1
Das ist ungerade (Rest 1 bei Division durch 2).

AB    ¬B¬AA \Rightarrow B \;\equiv\; \neg B \Rightarrow \neg A
Definition

Widerspruchsbeweis

Ein Widerspruchsbeweis zeigt:

1. Nimm das Gegenteil der Behauptung an
2. Leite daraus einen Widerspruch ab
3. Schließe: Also muss die ursprüngliche Behauptung wahr sein

Beispiel: Beweise "2\sqrt{2} ist irrational."

Angenommen, 2\sqrt{2} wäre rational, also 2=pq\sqrt{2} = \frac{p}{q} (gekürzt).
Dann 2=p2q22 = \frac{p^2}{q^2}, also p2=2q2p^2 = 2q^2.
Also ist p2p^2 gerade, also pp gerade, also p=2kp = 2k...
...und schließlich: pp und qq sind beide gerade – Widerspruch zur gekürzten Form!

Zeige A durch: Angenommen ¬A, leite Widerspruch ab\text{Zeige } A \text{ durch: Angenommen } \neg A \text{, leite Widerspruch ab}

Zusammenfassung

  • Direkter Beweis: Aus der Voraussetzung die Behauptung ableiten

  • Kontraposition: ABA \Rightarrow B durch ¬B¬A\neg B \Rightarrow \neg A zeigen

  • Widerspruchsbeweis: Gegenteil annehmen, Widerspruch ableiten