Kurs:Einführung in die mathematische Logik (Osnabrück 2014)/Arbeitsblatt 8/kontrolle

Übungsaufgaben

Aufgabe Referenznummer erstellen

Formalisiere mit dem Symbolalphabet ${}S=\{f,g\}$, wobei ${}f,g$ einstellige Funktionssymbole sind, die Aussage, dass die Hintereinanderschaltung von injektiven Abbildungen wieder injektiv ist.

Aufgabe Aufgabe 8.2 ändern

Zeige, dass die folgenden prädikatenlogischen Ausdrücke allgemeingültig sind.

1. $\forall x\forall y\forall z((x=y\wedge y=z)\rightarrow x=z).$

2. $(\forall x\alpha )\rightarrow \alpha$

   (wobei ${}\alpha$ ein Ausdruck ist).

3. $\alpha _{1}\wedge \alpha _{2}\wedge \alpha _{3}\rightarrow \beta ,$

   wobei ${}\alpha _{1},\alpha _{2},\alpha _{3}$ die Gruppenaxiome sind und

   $\beta :=\forall z(\forall x(zx=x\wedge xz=x)\rightarrow z=e)$

   ist.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Es sei ${}S$ ein erststufiges Symbolalphabet und ${}f\in S$ ein ${}n$-stelliges Funktionssymbol. Zeige, dass der Ausdruck

$\exists y{\left({\left(fx_{1}{\ldots }x_{n}=y\right)}\wedge \forall z{\left({\left(fx_{1}{\ldots }x_{n}=z\right)}\rightarrow y=z\right)}\right)}$

allgemeingültig ist.

Aufgabe Aufgabe 8.4 ändern

Es seien ${}p_{1},\ldots ,p_{n}$ Aussagenvariablen und ${}\beta _{1},\ldots ,\beta _{n}$ prädikatenlogische Ausdrücke. Zeige, dass man, wenn man in einer allgemeingültigen aussagenlogischen Aussage ${}\alpha$, in dem keine weiteren Aussagenvariablen vorkommen, jedes Vorkommen von ${}p_{i}$ durch ${}\beta _{i}$ ersetzt, einen allgemeingültigen prädikatenlogischen Ausdruck erhält.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Es seien ${}\alpha _{1},\alpha _{2},\alpha _{3}$ die Gruppenaxiome und

${}\alpha :=\forall x(\forall y(\forall z(\mu yx=e\wedge \mu xy=e\wedge \mu zx=e\wedge \mu xz=e\rightarrow y=z)))\,,$

also die Aussage, dass das inverse Element eindeutig bestimmt ist. Zeige, dass ${}\alpha$ aus keiner echten Teilmenge ${}\Gamma \subset \{\alpha _{1},\alpha _{2},\alpha _{3}\}$ folgt.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Axiomatisiere den Körperbegriff in einer geeigneten Sprache erster Stufe.

Eine Menge ${}K$ heißt ein Körper, wenn es zwei Verknüpfungen (genannt Addition und Multiplikation)

$+:K\times K\longrightarrow K{\text{ und }}\cdot :K\times K\longrightarrow K$

und zwei verschiedene Elemente ${}0,1\in K$ gibt, die die folgenden Eigenschaften erfüllen.

1. Axiome der Addition
   1. Assoziativgesetz: Für alle ${}a,b,c\in K$ gilt: ${}(a+b)+c=a+(b+c)$.
   2. Kommutativgesetz: Für alle ${}a,b\in K$ gilt ${}a+b=b+a$.
   3. ${}0$ ist das neutrale Element der Addition, d.h. für alle ${}a\in K$ ist ${}a+0=a$.
   4. Existenz des Negativen: Zu jedem ${}a\in K$ gibt es ein Element ${}b\in K$ mit ${}a+b=0$.
2. Axiome der Multiplikation
   1. Assoziativgesetz: Für alle ${}a,b,c\in K$ gilt: ${}(a\cdot b)\cdot c=a\cdot (b\cdot c)$.
   2. Kommutativgesetz: Für alle ${}a,b\in K$ gilt ${}a\cdot b=b\cdot a$.
   3. ${}1$ ist das neutrale Element der Multiplikation, d.h. für alle ${}a\in K$ ist ${}a\cdot 1=a$.
   4. Existenz des Inversen: Zu jedem ${}a\in K$ mit ${}a\neq 0$ gibt es ein Element ${}c\in K$ mit ${}a\cdot c=1$.
3. Distributivgesetz: Für alle ${}a,b,c\in K$ gilt ${}a\cdot (b+c)=(a\cdot b)+(a\cdot c)$.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Axiomatisiere den Begriff eines angeordneten Körpers in einer geeigneten Sprache erster Stufe.

Ein Körper ${}K$ heißt angeordnet, wenn es eine totale Ordnung ${}\geq$ auf ${}K$ gibt, die die beiden Eigenschaften

1. Aus ${}a\geq b$ folgt ${}a+c\geq b+c$ (für beliebige ${}a,b,c\in K$),
2. Aus ${}a\geq 0$ und ${}b\geq 0$ folgt ${}ab\geq 0$ (für beliebige ${}a,b\in K$),

erfüllt.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Es sei ${}S=\{0,1,+,\cdot ,\geq \}$ die Symbolmenge für einen angeordneten Körper. Zeige

$\mathbb {R} \vDash \forall x\forall y{\left(x\geq y\leftrightarrow \exists z{\left(x-y=z^{2}\right)}\right)}$

und

$\mathbb {Q} \vDash \neg {\left(\forall x\forall y{\left(x\geq y\leftrightarrow \exists z(x-y=z^{2})\right)}\right)}.$

Über den reellen Zahlen kann man also das Symbol ${}\geq$ mit anderen Symbolen ausdrücken.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Es sei ${}S=\{0,1,+,\cdot ,\geq \}\cup V$ die Symbolmenge für einen angeordneten Körper und ${}f$ ein einstelliges Funktionssymbol. Formuliere über ${}S'=S\cup \{f\}$ folgende Eigenschaften.

1. Die Stetigkeit von ${}f$.
2. Die gleichmäßige Stetigkeit von ${}f$.
3. Die Differenzierbarkeit von ${}f$.

Gesucht ist also ein Ausdruck ${}\alpha$ aus ${}L^{S'}$ mit der Eigenschaft, dass ${}\alpha$ in einer Interpretation von ${}S'$ (gegeben durch einen angeordneten Körper ${}K$ und eine Funktion ${}f\colon K\rightarrow K$) genau dann gilt, wenn ${}f$ stetig ist.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Zeige, dass die Polynomfunktionen in einer Variablen über einem angeordneten Körper stetig sind. Formuliere diese Aussage über dem Symbolalphabet ${}S=\{0,1,+,\cdot ,\geq \}$ für Polynome eines festes Grades.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Sei ${}S=\{0,1,+,\cdot ,\geq \}\cup V$ die Symbolmenge für einen angeordneten Körper und ${}f$ ein einstelliges Funktionssymbol. Formuliere über ${}S'=S\cup \{f\}$ die Aussage des Zwischenwertsatzes.

Aufgabe Referenznummer erstellen

Es sei ${}S=\{0,1,+,\cdot ,\geq \}\cup V$ die Symbolmenge für einen angeordneten Körper. Formuliere über ${}S$ die Aussage des Zwischenwertsatzes für Polynome vom Grad ${}d$.

In welchem Zusammenhang stehen die beiden vorstehenden Formulierungen?

Aufgabe Aufgabe 8.13 ändern

Es sei ${}\Gamma$ eine Ausdrucksmenge und ${}\alpha$ ein Ausdruck in einer Sprache erster Stufe. Zeige, dass ${}\Gamma \vDash \alpha$ genau dann gilt, wenn ${}\Gamma \cup \{\neg \alpha \}$ nicht erfüllbar ist.

Aufgabe * Referenznummer erstellen

Formuliere die Injektivität für eine Abbildung

$f\colon D\longrightarrow Z$

prädikatenlogisch mit Hilfe der Verwendung von Sorten.

Aufgaben zum Abgeben

Aufgabe (1 Punkt)Referenznummer erstellen

Formalisiere mit dem Symbolalphabet ${}S=\{f,g\}$, wobei ${}f,g$ einstellige Funktionssymbole seien, die Aussage, dass die Hintereinanderschaltung von surjektiven Abbildungen wieder surjektiv ist.

Aufgabe (2 Punkte)Referenznummer erstellen

Welche der folgenden prädikatenlogischen Ausdrücke sind allgemeingültig (${}x,y$ seien Variablen)?

1. ${}\forall x(\exists y(x=y))$,
2. ${}\forall x(\forall y(x=y))$,
3. ${}\exists x(\forall y(x=y))$,
4. ${}\exists x(\exists y(x=y))$.

Aufgabe (2 Punkte)Referenznummer erstellen

Zeige, dass die Kommutativität der Addition aus den übrigen Körperaxiomen folgt.

Tipp: Zeige zuerst, dass ${}0x=0$ ist.

Aufgabe (2 Punkte)Referenznummer erstellen

Sei ${}S=\{0,1,+,\cdot ,\geq \}\cup V$ die Symbolmenge für einen angeordneten Körper und ${}f,g$ zwei einstellige Funktionssymbole. Formuliere über ${}S'=S\cup \{f,g\}$ die Aussage, dass die Hintereinanderschaltung von zwei stetigen Funktionen wieder stetig ist.

Aufgabe (3 Punkte)Referenznummer erstellen

Formuliere ein prädikatenlogisches Axiomensystem für einen metrischen Raum über einem angeordneten Körper mit Hilfe von Sortenprädikaten.