Bitácora · Lógica · Lista del parcial 3

Un ∀ es una conjunción larga

Ejercicio 11 de la lista del parcial 3 · Guía 10 · la segunda sentencia del Ejercicio 16, por el absurdo, y por qué es el mismo fenómeno que μ

El enunciado, textual: «Sea τ=({c},∅,{P1,P2},{(P1,1),(P2,1)}). Pruebe matemáticamente que

((∀x1P1(x1)→P2(c))→∃x1(P1(x1)→P2(c)))

es universalmente válida. (Pruébelo por el absurdo)». Es la segunda sentencia del Ejercicio 16 de la Guía 10. La guía la propone en la página 11, después de μ, como otra sentencia «que rompe nuestra intuición por ser siempre verdadera», y deja al lector meditar hasta entender que el fenómeno es el mismo que en μ: «un ∀ es en algún sentido la conjunción de muchos casos». Acá la llamamos ν.

01 · Qué dice, leída en castellano

Leída de corrido: «si que todos cumplan P1 alcanza para que c cumpla P2, entonces hay un elemento que, con cumplir P1, ya alcanza para que c cumpla P2». Suena a que tiene que haber un responsable: alguien cuyo P1 «cause» el P2 de c. Y no hay ninguna razón para que exista.

Un ejemplo. A={1,2,3}, i(c)=1, i(P1)={1,2} e i(P2)=∅. No todos cumplen P1 —el 3 no—, así que ∀x1P1(x1) es falsa y el antecedente, una implicación con antecedente falso, es verdadero. ¿Hay un a que haga verdadera (P1(x1)→P2(c)) cuando x1 vale a? Sí: el 3. Como 3 no cumple P1, la implicación es verdadera sin mirar P2(c). El testigo del ∃ es justamente el elemento que hacía falsa ∀x1P1(x1), y no tiene nada que ver con c.

Eso resuelve todos los casos. Si algún elemento no cumple P1, ese elemento es testigo del ∃. Si todos cumplen P1 y i(c) cumple P2, cualquier elemento es testigo, porque el consecuente P2(c) es verdadero. Y si todos cumplen P1 y i(c) no cumple P2, el consecuente de ν es falso, pero el antecedente también: ∀x1P1(x1) es verdadera y P2(c) falsa. Entre las 228 estructuras de tipo τ con universo de hasta tres elementos, ν es verdadera en todas, y su consecuente es falso en exactamente 17: las de este último caso.

02 · Las herramientas

Estructura (Guía 8, p. 7): 𝐀=(A,i) con A no vacío, i(c)∈A e i(P1),i(P2)⊆A.

Asignaciones (Guía 10, p. 1 y p. 4). Una asignación es a→=(a1,a2,…)∈A𝐍, y ↓ia(a→) es la asignación que resulta de reemplazar en a→ el i-ésimo elemento por a. Las cláusulas (1) y (2) del valor de un término dan xi𝐀[a→]=ai y c𝐀[a→]=i(c).

Las cláusulas de ⊨ (Guía 10, p. 4) que usa la prueba:

Universalmente válida (Guía 10, p. 7): 𝐀⊨φ[a→] para cada estructura 𝐀 de tipo τ y cada a→∈A𝐍. Negado: hay una 𝐀 y una a→ con 𝐀⊭ν[a→]. Como en el Ejercicio 10, con la asignación a la vista no hace falta el Corolario 3.

03 · La mariposa: el ∃ falso da un «para todo»

El orden es el del Ejercicio 10: exprimir lo falso, que no ramifica, y usar al final la implicación verdadera. ν falsa da, por la (5), el antecedente (∀x1P1(x1)→P2(c)) verdadero y el consecuente ∃x1(P1(x1)→P2(c)) falso.

Un ∃ falso es la mejor noticia posible para un absurdo: por la (9) negada, ningún a∈A hace verdadera (P1(x1)→P2(c)) en ↓1a(a→). O sea, para cada a la implicación es falsa, y por la (5) negada, para cada a: P1(x1) verdadera y P2(c) falsa, las dos en ↓1a(a→). Es la versión con muchos elementos de las líneas 3 a 5 del Ejercicio 10.

De ahí salen dos cosas. La primera mitad, para cada a, es exactamente lo que la (8) pide para ∀x1P1(x1): es verdadera en a→. La segunda mitad dice que P2(c) es falsa, pero en las asignaciones ↓1a(a→), y el antecedente habla de P2(c) en a→. Hay que llevarla de una asignación a la otra.

Hay dos maneras sin lemas. La corta: elegir a=a1, el primer elemento de a→. Reemplazar el primer elemento de a→ por a1 no cambia nada: ↓1a1(a→)=a→, y la segunda mitad dice directamente 𝐀⊭P2(c)[a→]. La larga: por la cláusula (2) de ⊨ y c𝐀[b→]=i(c), 𝐀⊨P2(c)[b→] si y sólo si i(c)∈i(P2), para cualquier b→, así que el valor de P2(c) es el mismo en todas las asignaciones. Lo que no se puede es decir «P2(c) es una sentencia» y seguir: eso es el Corolario 3, y habría que enunciarlo y probarlo.

Con ∀x1P1(x1) verdadera y P2(c) falsa en a→, el antecedente verdadero no tiene salida: por la (5) pide ∀x1P1(x1) falsa o P2(c) verdadera.

04 · El escarabajo: la prueba escrita

Prueba. Supongamos, por el absurdo, que ν no es universalmente válida. Entonces hay una estructura 𝐀=(A,i) de tipo τ y una asignación a→=(a1,a2,…)∈A𝐍 tales que 𝐀⊭ν[a→].

1𝐀⊭((∀x1P1(x1)→P2(c))→∃x1(P1(x1)→P2(c)))[a→]hipótesis del absurdo
2𝐀⊨(∀x1P1(x1)→P2(c))[a→] y 𝐀⊭∃x1(P1(x1)→P2(c))[a→]de 1, por (5)
3para cada a∈A, 𝐀⊭(P1(x1)→P2(c))[↓1a(a→)]de 2, por (9)
4para cada a∈A, 𝐀⊨P1(x1)[↓1a(a→)] y 𝐀⊭P2(c)[↓1a(a→)]de 3, por (5)
5𝐀⊨∀x1P1(x1)[a→]de 4, primera parte, por (8)
6𝐀⊭P2(c)[↓1a1(a→)], o sea 𝐀⊭P2(c)[a→]de 4, segunda parte, con a=a1
7𝐀⊭∀x1P1(x1)[a→] o 𝐀⊨P2(c)[a→]de 2, primera parte, por (5)
8𝐀⊨P2(c)[a→]de 5 y 7

En la línea 6, ↓1a1(a→)=a→ porque reemplazar el primer elemento de a→ por a1 deja la misma asignación. Las líneas 6 y 8 dicen 𝐀⊭P2(c)[a→] y 𝐀⊨P2(c)[a→], lo cual es absurdo. Luego para toda estructura 𝐀 de tipo τ y toda a→∈A𝐍 se tiene 𝐀⊨ν[a→], y ν es universalmente válida. ∎

La línea 3 es donde más se pierde. La (9) dice «hay un a tal que…»; negada dice «para cada a, no…», y cada instancia vive en su propia asignación ↓1a(a→), no en a→. Escribir 𝐀⊭(P1(x1)→P2(c))[a→] ahí es un error: eso sería la instancia a=a1 sola.

05 · Por qué es el mismo fenómeno que μ

Por la (8), ∀x1P1(x1) es verdadera cuando P1(x1) lo es en ↓1a(a→) para cada a: una conjunción con un término por elemento. Por la (9), ∃x1(P1(x1)→P2(c)) es una disyunción con un término por elemento. Con A={1,2}, y escribiendo «1 cumple P1» por 𝐀⊨P1(x1)[↓11(a→)], ν dice:

si (1 cumple P1 y 2 cumple P1) implica P2(c), entonces (1 cumple P1 implica P2(c)) o (2 cumple P1 implica P2(c)).

Es μ letra por letra, con «1 cumple P1» en el lugar de P1(c), «2 cumple P1» en el de P2(c) y P2(c) en el de R(c). Con más elementos, la conjunción y la disyunción se alargan, y el argumento es el mismo: si todas las implicaciones del consecuente fallan, todos los casos de la conjunción son verdaderos y P2(c) es falsa, y entonces falla el antecedente.

La intuición falla por la razón de la página 11. Se lee (P1(x1)→P2(c)) como «cumplir P1 hace que c cumpla P2», una relación de causa. Pero P2(c) es un hecho fijo sobre un elemento fijo, verdadero o falso en la estructura, y la implicación en ↓1a(a→) sólo compara dos valores de verdad. Por eso el testigo puede ser cualquier elemento que no cumpla P1, aunque no tenga relación con c.

Abajo se arma la estructura. El árbol despliega cada cuantificador en un renglón por elemento, con la asignación en la que se evalúa cada instancia; los testigos del ∃ van en azul.

Simulación Buscá una estructura donde el ∃ se quede sin testigo — arranca con un solo testigo, el 3, que no cumple P1. Sacale el testigo: marcalo en P1. Después mirá qué pasa con el antecedente cuando el consecuente por fin es falso.
elementoi(c)P1P2

La lectura de ν

    Leída en este universo

    testigos del ∃ — estructuras probadas — ν falsa en — consecuente falso en —

    Para dejar al ∃ sin testigos hay que poner a todos en P1 y sacar a i(c) de P2. Y en ese mismo momento ∀x1P1(x1) pasa a ser verdadera con P2(c) falsa: el antecedente se cae justo cuando el consecuente se cae. Con un solo elemento, ν queda ((P1(c)→P2(c))→(P1(c)→P2(c))) leída en ese elemento, que no puede fallar.

    06 · Lo que se lleva a otros ejercicios

    Un ∃ falso y un ∀ verdadero dan un «para cada»; un ∃ verdadero y un ∀ falso dan un elemento, que hay que nombrar. En una prueba por el absurdo conviene llegar rápido a los primeros. La tabla completa de qué da cada cláusula está en La relación ⊨ y la validez universal.

    Cada instancia de un cuantificador vive en su asignación. El cuidado de la línea 3 —↓1a(a→) y no a→— es el mismo que pide el Ejercicio 14, donde ∀x1φ se compara con ¬∃x1¬φ en cada asignación, y el Ejercicio 15, donde dos ∀ seguidos cambian dos lugares distintos de a→.

    Lo que hace perder puntos. Negar la (9) como «hay un a tal que no». Escribir las instancias en a→ en lugar de ↓1a(a→). Pasar 𝐀⊭P2(c)[↓1a(a→)] a 𝐀⊭P2(c)[a→] sin decir por qué: con a=a1, o con la cláusula (2), o enunciando y probando el Corolario 3. Y usar el antecedente antes de tiempo, que abre dos casos.

    Para tener a mano

    1. El testigo del ∃ es el elemento que hace falsa ∀x1P1(x1); si no hay ninguno, todos son testigos o el antecedente es falso.
    2. Por el absurdo: la (5) parte ν, la (9) negada da «para cada a», la (5) negada parte cada instancia, la (8) arma ∀x1P1(x1).
    3. Para traer P2(c) a a→: a=a1 y ↓1a1(a→)=a→.
    4. La contradicción: 𝐀⊭P2(c)[a→] por el consecuente, 𝐀⊨P2(c)[a→] por el antecedente.
    5. Con dos elementos, ν es μ: el ∀ es la conjunción y el ∃ la disyunción.
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