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Logik und Notation

Aussagen, Verknüpfungen und Quantoren, die Sprache der Mathematik.

In einem Satz: Die Mathematik hat eine eigene kurze Schrift, und wer die Zeichen ∀\forall, ∃\exists, ⇒\Rightarrow und ⇔\Leftrightarrow lesen kann, versteht jeden Beweis.

Eine Wahrheitstafel listet auf, was eine Verknüpfung ergibt, wenn man für AA und BB jede mögliche Kombination von wahr (w) und falsch (f) einsetzt.

Nicht, ¬A\neg A. Dreht den Wahrheitswert um.

AA ¬A\neg A
w f
f w

Und, A∧BA \land B. Wahr nur dann, wenn beide Teile wahr sind.

AA BB A∧BA \land B
w w w
w f f
f w f
f f f

Oder, A∨BA \lor B. Falsch nur dann, wenn beide Teile falsch sind.

AA BB A∨BA \lor B
w w w
w f w
f w w
f f f

Wenn-dann, A⇒BA \Rightarrow B. Falsch nur dann, wenn AA wahr und BB falsch ist. Das ist der gebrochene Schirm-Versprechen-Fall aus dem Kasten oben.

AA BB A⇒BA \Rightarrow B
w w w
w f f
f w w
f f w

Genau dann, wenn, A⇔BA \Leftrightarrow B. Wahr nur dann, wenn AA und BB denselben Wahrheitswert haben.

AA BB A⇔BA \Leftrightarrow B
w w w
w f f
f w f
f f w

Alle vier Verknüpfungen auf einen Blick:

AA BB A∧BA \land B A∨BA \lor B A⇒BA \Rightarrow B A⇔BA \Leftrightarrow B
w w w w w w
w f f w f f
f w f w w f
f f f f w w

Warum die Verneinung einer Implikation „A und nicht B“ bedeutet

Abschnitt betitelt „Warum die Verneinung einer Implikation „A und nicht B“ bedeutet“

Die Implikation ist nur falsch, wenn AA wahr und BB falsch ist. Genau dann ist A∧¬BA \land \neg B wahr. In allen anderen drei Zeilen der Wahrheitstafel ist A⇒BA \Rightarrow B wahr und A∧¬BA \land \neg B falsch. Also gilt

¬(A⇒B)  ⇔  A∧¬B.\neg(A \Rightarrow B) \;\Leftrightarrow\; A \land \neg B .

Das ist wichtig für Widerspruchsbeweise und Gegenbeispiele.

Für A∨¬AA \lor \neg A und A∧¬AA \land \neg A gilt:

AA ¬A\neg A A∨¬AA \lor \neg A A∧¬AA \land \neg A
w f w f
f w w f

In der dritten Spalte steht nur “w”, also ist A∨¬AA \lor \neg A eine Tautologie (der Satz vom ausgeschlossenen Dritten). In der vierten Spalte steht nur “f”, also ist A∧¬AA \land \neg A eine Kontradiktion.

Auch die Kontraposition aus der Stolperstelle oben lässt sich so beweisen. Die Aussage (A⇒B)⇔(¬B⇒¬A)(A \Rightarrow B) \Leftrightarrow (\neg B \Rightarrow \neg A) ist in jeder Zeile wahr:

AA BB A⇒BA \Rightarrow B ¬B⇒¬A\neg B \Rightarrow \neg A (A⇒B)⇔(¬B⇒¬A)(A \Rightarrow B) \Leftrightarrow (\neg B \Rightarrow \neg A)
w w w w w
w f f f w
f w w w w
f f w w w

Zwei Aussagen sind also gleichwertig, wenn ihre Äquivalenz eine Tautologie ist. Genauso zeigt man die Regeln von De Morgan:

¬(A∧B)⇔(¬A∨¬B),¬(A∨B)⇔(¬A∧¬B).\neg(A \land B) \Leftrightarrow (\neg A \lor \neg B), \qquad \neg(A \lor B) \Leftrightarrow (\neg A \land \neg B) .

Beim Verneinen vertauschen sich die Quantoren, und die Eigenschaft wird verneint:

¬(∀x: P(x))  ⇔  ∃x: ¬P(x),¬(∃x: P(x))  ⇔  ∀x: ¬P(x).\neg\bigl(\forall x:\, P(x)\bigr) \;\Leftrightarrow\; \exists x:\, \neg P(x), \qquad \neg\bigl(\exists x:\, P(x)\bigr) \;\Leftrightarrow\; \forall x:\, \neg P(x) .

Beispiel: Die Aussage “Für alle x∈Rx \in \mathbb{R} gilt x>0x > 0” ist falsch. Ihre Verneinung lautet “Es gibt ein x∈Rx \in \mathbb{R} mit x≤0x \leq 0”. Ein Beispiel dafür ist x=−1x = -1. Damit ist die Ausgangsaussage widerlegt.