Ejercicio 1 de la lista del parcial 3 · Guía 9 · una ocurrencia de un término en es el término entero o vive adentro de un argumento, y con eso el reemplazo sale por inducción en el nivel
El enunciado, textual: «Pruebe que si y es el resultado de reemplazar una ocurrencia de en por , entonces .» Es el inciso (f) del Lema 4 de la Guía 9 (p. 7), el de ocurrencias de términos en términos, cuya prueba la guía deja al lector.
La lista deja usar sin enunciar el menú y la lectura única, y nada más. La prueba de la guía para ocurrencias se apoya en el inciso (c) del mismo lema, y el (c) en el Lema 2, el mordisqueo de términos. El mordisqueo la guía lo da sin prueba (Ejercicio 9), y se puede citar enunciado; acá se lo evita, y se prueba todo lo que se usa con el menú y la lectura única como únicas herramientas.
Un término es una palabra. Adentro de esa palabra hay otro término, , en algún lugar: se lo recorta y en el hueco se pega . El ejercicio dice que lo que queda vuelve a ser término.
Con el tipo de la guía, con , y , el término de nivel 3 de la página 2 es
Tiene 37 símbolos y once ocurrencias de subtérminos: él mismo, los dos , y siete variables, con dos veces, a partir de 9 y de 26. Reemplazando la que empieza en 26 por queda
que es un término de nivel 5. Y reemplazando , que empieza en 13, por queda , de nivel 3. El nivel cambia; lo que se conserva es ser término.
Que sea término no es decorativo. La palabra también ocurre en , a partir de 17, y no es un término. Reemplazándola por queda , que no es término: el de adentro quedó con tres argumentos. Lo que pasó es que se monta sobre una coma que separa dos argumentos, y el reemplazo se comió la coma.
Eso es exactamente lo que no le puede pasar a un término. La desde 26 no es , y cae adentro del único argumento de ; adentro de ese argumento, que es un , cae en su segundo argumento, ; y ahí es el cuarto argumento entero. En cada piso el reemplazo entra por un solo argumento, y el resto de la palabra queda igual. Esa es toda la prueba: una inducción en el nivel de , con un hecho de ocurrencias para saber por dónde entra.
Los términos (Guía 9, p. 1). y , con . La palabra es la concatenación del nombre , el «(», los argumentos separados por comas, y el «)». Cada nivel contiene al anterior.
Las variables (p. 1). La variable es la palabra seguida de la escritura decimal de , con los numerales en itálica salvo el último, que va en negrita. Una variable tiene un solo numeral negrita, y es su último símbolo.
El tipo (Guía 8, p. 4). En los nombres de constante son palabras no vacías de un alfabeto , los de función de y los de relación de , con estas condiciones: los tres alfabetos son disjuntos de a pares; ninguno contiene ∀, ∃, ¬, ∨, ∧, →, ↔, los paréntesis, la coma, ≡, la ni los numerales; y (3) ninguna palabra de es subpalabra propia de otra palabra de , y lo mismo en y en .
Ocurrencias (p. 6). ocurre a partir de en si con . Esa ocurrencia ocupa las posiciones a , y sucede dentro de otra si todas sus posiciones están entre las de la otra. Reemplazarla por da .
Lema 1 (Menú para términos, p. 3) y Teorema 3 (Lectura única de términos, p. 5). Se usan sin enunciar; quedan acá para tenerlos a mano. El menú: si , entonces o con , y . La lectura única: dado se da una y sólo una de (1) , (2) hay únicos , , con .
Hecho 0 (el primer símbolo). Sea . Si empieza con , es una variable; si empieza con un símbolo de , es un nombre de constante; si empieza con un símbolo de , es de la forma , y entonces es el tramo de que va hasta antes de su primer «(». Ningún término empieza con «(», «)», una coma ni un numeral.
Prueba. Por la lectura única, es una variable, que empieza con ; un nombre de constante, que empieza con un símbolo de ; o , que empieza con el primer símbolo de , que está en . Como y son disjuntos y ninguno tiene la , el primer símbolo dice cuál de los tres casos es. Ninguno empieza con paréntesis, coma ni numeral. Y como no tiene paréntesis, el primer «(» de es el que sigue a . ∎
Lo que la inducción necesita es el inciso (c) del Lema 4 de la Guía 9:
Lema 4(c). Si , y ocurre en , entonces dicha ocurrencia sucede dentro de algún .
Para probarlo conviene uno un poco más fuerte, que se deja probar por inducción. La palabra que va después es lo que el término tiene a su derecha cuando es un argumento de otro: una coma y el resto, o el «)» del final.
Lema A. Sean y una palabra que es o empieza con una coma o con «)». Si ocurre en a partir de , con , entonces la ocurrencia está dentro de , o sea ; y si además , entonces .
Leído en criollo: un término que empieza adentro de otro termina adentro de él, y si empiezan juntos son el mismo. La condición sobre hace falta. Con las constantes y de la página 5, que se mordisquean, en seguida de el término empieza en la posición 2, adentro de , y se sale.
Prueba. Usaremos la Regla de Inducción desde 0. Para cada sea el enunciado:
: para todo , todo , toda palabra que sea o empiece con una coma o con «)», y todo : si ocurre en a partir de , entonces , y si además , entonces .
Llamemos .
es verdadero. Sea .
implica . Supongamos que vale y sean , , y como en .
Por la Regla de Inducción desde 0 vale para todo , y como todo término está en algún , vale el Lema A. ∎
Prueba del Lema 4(c). Sea y una ocurrencia de en a partir de . Si fuera , el Lema A con y daría , contra la hipótesis. Con los casos son los tres últimos del paso de arriba, con y : dentro del nombre no se da, en un paréntesis o una coma de no se da, y si cae en las posiciones de un , el Lema A aplicado a dice que la ocurrencia está dentro de . Es un solo , porque los argumentos ocupan posiciones disjuntas. ∎
Al revés también vale: si , la única ocurrencia es a partir de 1, porque desde no entran símbolos. Así que hay exactamente dos posibilidades, y son las dos del paso de la inducción del ejercicio: la ocurrencia empieza en 1 y es entera, o empieza después y vive adentro de un único argumento.
La meta es , y lo único que se sabe de es cómo se obtuvo de . Las propiedades de todos los términos se prueban por inducción en el nivel, así que la pregunta es qué pasa en el paso: con argumentos de nivel más bajo, y se reemplaza una ocurrencia de en algún lado.
Si la ocurrencia es entera, , que es término por hipótesis. Si no, por el Lema 4(c) está adentro de un único , y reemplazarla en es reemplazarla en y dejar todo lo demás —el nombre, los paréntesis, las comas, los otros argumentos— como estaba:
donde es el resultado de reemplazar esa ocurrencia en por . tiene nivel más bajo, y la hipótesis inductiva dice que es término. Falta un detalle: puede tener un nivel más alto que los otros argumentos —en el ejemplo de la sección 01 pasó de 0 a 2—, y la definición pide los argumentos en un mismo . Se toma el máximo, y como los niveles crecen, todos están ahí.
Por qué lleva a , a y a la ocurrencia adentro. La hipótesis inductiva se aplica a , no a , y a una ocurrencia que es la misma pero contada desde otro lugar: en empieza en otra posición. Si hablara de una ocurrencia fija de , no diría nada de . En este ejercicio y son los mismos en el paso y en la hipótesis, así que dejarlos afuera no rompería la prueba; escribirlos adentro no cuesta nada y es lo que pide la lista: todas las cuantificaciones adentro.
Abajo se elige dónde empieza , tocando un símbolo del término. Si ahí empieza un término, se ve por qué argumento entra el reemplazo en cada piso; si no, en qué caso del Lema A cae esa posición.
Las posiciones donde no empieza ningún término son las de los tres casos imposibles del Lema A: adentro de un nombre de función, en un paréntesis o una coma, en un numeral o adentro de un nombre de constante. En las otras, la bajada termina siempre igual: en algún piso, es el argumento entero.
Se escriben, en este orden, el Hecho 0, el Lema A y el Lema 4(c), con sus pruebas, como en las secciones 02 y 03. Después:
Prueba del ejercicio. Usaremos la Regla de Inducción desde 0. Para cada sea el enunciado:
: para todo y todos , si es el resultado de reemplazar una ocurrencia de en por , entonces .
Por la Regla de Inducción desde 0, vale para todo . Dado , está en algún , y da . ∎
Lo que hace perder puntos. Decir «la ocurrencia está en algún » sin enunciar ni probar el Lema 4(c): es un resultado de la guía, no el menú ni la lectura única. Olvidar el caso en que la ocurrencia es entera, que es el único en que el (c) no se aplica. Olvidar el caso del paso. Escribir : no es cierto en general, porque puede tener cualquier nivel; lo que se prueba es , con el máximo de los niveles. Y escribir un que no dice para qué términos vale: «: » sin el «para todo » no es un enunciado.
Lo que se lleva. El molde —el caso de la ocurrencia entera, y el (c) para mandar la ocurrencia adentro de un argumento— es el de los Ejercicios 6, 7 y 8 de la lista, que también reemplazan ocurrencias en un término: sacar algunas , cambiar por y cambiar por . En el Ejercicio 3 lo que se reemplaza, , no es un término, y una ocurrencia sí puede montarse sobre una coma de afuera: ese caso es justamente el que hay que agregar. Las ocurrencias y los reemplazos, con más ejemplos, están en Ocurrencias y reemplazos, y la prueba de la guía, que usa el mordisqueo, en Se compara por el lado de lo que ya se sabe.