İçeriğe geç
Educora
Üniversite32 dk82 / 82

Mantık, kümeler ve graflar

Önermeler mantığı ve doğruluk tabloları, niceleyiciler, ispat yöntemleri (doğrudan, olmayana ergi, tümevarım), küme işlemleri ve Venn şemaları, bağıntılar ve fonksiyonlar (birebir, örten, birebir ve örten) ile graf kuramının temelleri: dereceler, yollar, ağaçlar, Euler ve Hamilton yolları.

Kendini test et
Bu derste öğreneceklerin
  • Doğruluk tabloları kurmak, mantıksal denklikleri kullanmak ve niceleyicili önermelerin olumsuzunu almak
  • Doğrudan ispat, olmayana ergi ve tümevarımla ispat yazmak
  • Kümelerle işlem yapmak ve bir fonksiyonun birebir, örten ya da birebir ve örten olup olmadığına karar vermek
  • Derecelerle graflar hakkında akıl yürütmek ve bir Euler yolunun olup olmadığına karar vermek

Bir programdaki her “eğer … ise …”, bir veritabanı sorgusundaki her WHERE koşulu ve telefonundaki her yonga doğru ile yanlışın mantığına dayanır. 1730'larda Leonhard Euler, Königsberg'in yedi köprüsünün her birinden tam bir kez geçerek şehri dolaşmanın mümkün olup olmadığını sordu ve bunun imkânsız olduğunu kanıtlarken graf kuramının temellerini attı. Ayrık matematik, yani mantık, kümeler, fonksiyonlar ve graflar, ispatların ve bilgisayar biliminin dilidir.

Önermeler, doğruluk tabloları ve niceleyiciler

Tanım
Önerme

Ya doğru (1) ya da yanlış (0) olan bir cümle; örneğin “7 asal sayıdır”. Bileşik önermeler ¬ (değil), ∧ (ve), ∨ (veya), → (ise, koşullu önerme) ve ↔ (ancak ve ancak, iki yönlü koşullu önerme) bağlaçlarıyla kurulur.

pq¬pp ∧ qp ∨ qp → qp ↔ q
1101111
1000100
0110110
0010011
Temel bağlaçların doğruluk tablosu (1 = doğru, 0 = yanlış). n değişken varsa tabloda 2ⁿ satır olur.

p → q koşullu önermesi yalnızca p doğru ve q yanlış olduğunda yanlıştır. “Yağmur yağarsa şemsiye alırım” sözü yalnızca şemsiyesiz yağmurlu bir günde bozulur; kuru bir günde ne yaparsam yapayım söz tutulmuş olur. Bu yüzden öncülü yanlış olan bir koşullu önerme doğru sayılır.

¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
burada:
  • ≡mantıksal denklik: her satırda aynı doğruluk değeri

De Morgan kuralları.

p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p, ¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
burada:
  • ¬q → ¬pkarşıt ters, p → q ile denktir
  • q → pkarşıt önerme, denk değildir

Çok sayıda nesne hakkındaki önermelerde niceleyiciler kullanılır: ∀ (“her”) ve ∃ (“en az bir … vardır”). Örneğin ∀x ∈ ℝ: x² ≥ 0 doğrudur, ∃n ∈ ℕ: n² = 2 ise yanlıştır. Niceleyicili bir önermenin olumsuzunu almak için ∀ ile ∃ yer değiştirir ve arkasından gelen kısım olumsuzlanır:

¬(∀x P(x)) ≡ ∃x ¬P(x), ¬(∃x P(x)) ≡ ∀x ¬P(x)
burada:
  • P(x)x'in bir özelliği (yüklem)
  • ∀evrensel niceleyici
  • ∃varlıksal niceleyici
Bir önermenin olumsuzu

Olumsuzunu yazın: a) “Gruptaki her öğrenci en az bir sınavı geçti”; b) “Bir sayı 4'e bölünüyorsa çifttir”.

Çözümü göster
a) ∀s ∃e: geçti(s, e). Olumsuzu: ∃s ∀e: ¬geçti(s, e), yani “hiçbir sınavı geçemeyen bir öğrenci var” (“kimse geçmedi” değil!).
b) p → q; burada p = “4'e bölünür”, q = “çifttir”. Olumsuzu p ∧ ¬q'dur: “4'e bölünen ama çift olmayan bir sayı vardır”. Bu yanlıştır; yani ilk önerme doğrudur.
Etkileşimli
Simülasyon yükleniyor…
Donanımda mantık: NAND kapısı ¬(p ∧ q) çıktısını verir. İlginç biçimde her doğruluk tablosu yalnızca NAND kapılarıyla kurulabilir; bu yüzden NAND, yongaların temel yapı taşlarından biridir.

İspat yöntemleri

  • Doğrudan ispat: varsayımlardan başlayıp geçerli adımlarla sonuca ulaşılır.
  • Karşıt ters: p → q yerine ¬q → ¬p ispatlanır.
  • Olmayana ergi: önermenin yanlış olduğu varsayılır ve bir çelişkiye ulaşılır.
  • Tümevarım: P(1) ispatlanır, sonra P(n) ⇒ P(n + 1) gösterilir; o zaman P(n) her doğal sayı n için doğrudur, tıpkı sonsuz bir sıra hâlinde devrilen domino taşları gibi.
Doğrudan ispat ve olmayana ergi

İspatlayın: a) iki tek sayının toplamı çifttir; b) √2 irrasyoneldir.

Çözümü göster
a) Tek sayılar, k ve m tam sayı olmak üzere 2k + 1 ve 2m + 1'dir. Toplamları 2k + 2m + 2 = 2(k + m + 1), yani 2'nin bir katıdır ∎.
b) √2 = p/q sadeleşmeyen bir kesir olsun. O zaman p² = 2q², p² çifttir, dolayısıyla p de çifttir (p tek olsaydı p² de tek olurdu): p = 2k.
Bu durumda 4k² = 2q², q² = 2k²; yani q de çifttir.
Hem p hem q çift; bu, kesrin sadeleşmemesiyle çelişir. Demek ki √2 irrasyoneldir ∎.
P(1) ∧ [∀n: P(n) → P(n + 1)] ⇒ ∀n ∈ ℕ: P(n)
burada:
  • P(1)temel adım
  • P(n) → P(n + 1)tümevarım adımı; P(n) tümevarım hipotezidir
Tümevarım: tek sayıların toplamı

Her doğal sayı n için 1 + 3 + 5 + … + (2n − 1) = n² olduğunu ispatlayın.

Çözümü göster
Temel adım: n = 1: 1 = 1² ✓.
Tümevarım adımı: 1 + 3 + … + (2n − 1) = n² olsun. Sonraki tek sayıyı, 2n + 1'i ekleyelim:
1 + 3 + … + (2n − 1) + (2n + 1) = n² + 2n + 1 = (n + 1)².
Bu, n + 1 için önermedir; tümevarımla eşitlik her n için doğrudur ∎. Örneğin 1 + 3 + 5 + 7 = 16 = 4².

Kümeler ve Venn şemaları

A ∪ B, A ∩ B, A \ B, Aᶜ
burada:
  • A ∪ Bbirleşim: A'da veya B'de (ya da ikisinde) olan elemanlar
  • A ∩ Bkesişim: ikisinde de olan elemanlar
  • A \ Bfark: A'da olup B'de olmayanlar
  • Aᶜtümleyen: U evrensel kümesinin A'da olmayan elemanları

Küme işlemleri mantığı yansıtır: ∪, ∨'ye; ∩, ∧'ye; tümleyen de ¬'ye karşılık gelir; bu yüzden De Morgan kuralları yine geçerlidir: (A ∪ B)ᶜ = Aᶜ ∩ Bᶜ ve (A ∩ B)ᶜ = Aᶜ ∪ Bᶜ. A ⊆ B, A'nın her elemanının B'de olduğu anlamına gelir. n elemanlı bir kümenin 2ⁿ alt kümesi vardır; A × B kartezyen çarpımı ise tüm (a, b) sıralı ikililerinden oluşur.

|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
burada:
  • |A|A kümesinin eleman sayısı

İçerme-dışlama ilkesi: iki kümede de olan elemanlar iki kez sayıldığından bir kez çıkarılır. Üç küme için: |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Bir grupta diller

40 öğrencilik bir grupta 25 kişi İngilizce, 18 kişi Rusça, 7 kişi de her ikisini öğreniyor. Kaç kişi en az bir dil öğreniyor, kaç kişi hiçbirini öğrenmiyor ve kaç kişi yalnızca İngilizce öğreniyor?

Çözümü göster
|İ ∪ R| = 25 + 18 − 7 = 36 kişi en az bir dil öğreniyor.
Hiçbiri: 40 − 36 = 4.
Yalnızca İngilizce: 25 − 7 = 18; yalnızca Rusça: 18 − 7 = 11.
Venn şemasının bölgeleriyle kontrol: 18 + 7 + 11 + 4 = 40 ✓.

Bağıntılar ve fonksiyonlar

A'dan B'ye bir bağıntı, herhangi bir R ⊆ A × B alt kümesidir. Tek bir küme üzerindeki bağıntı yansıyan (a R a), simetrik (a R b ⇒ b R a) ve geçişken (a R b ve b R c ⇒ a R c) olabilir. Üçü birlikte bir denklik bağıntısı verir ve kümeyi sınıflara ayırır: örneğin “3'e bölümünden aynı kalanı verir” bağıntısı ℤ'yi üç sınıfa ayırır.

Tanım
Fonksiyon

Her a ∈ A elemanına tam olarak bir f(a) ∈ B görüntüsü karşılık gelen f: A → B bağıntısı. A tanım kümesi, B değer kümesidir.

TürAnlamıÖrnek
BirebirFarklı elemanların görüntüleri farklıdır: f(a₁) = f(a₂) ⇒ a₁ = a₂f(x) = 2x, ℤ → ℤ (örten değil: tek sayılar elde edilmez)
ÖrtenHer b ∈ B, bir a'nın görüntüsüdürf(x) = x³ − x, ℝ → ℝ (birebir değil: f(0) = f(1) = 0)
Birebir ve örtenHem birebir hem örten; ters fonksiyonu f⁻¹ vardırf(x) = x³, ℝ → ℝ; f(x) = x², [0, ∞) → [0, ∞)
HiçbiriNe birebir ne örtenf(x) = x², ℝ → ℝ: f(−2) = f(2) ve negatif sayılar hiç değer olarak çıkmaz
Bir fonksiyonun türü yalnızca formüle değil, A ve B kümelerine de bağlıdır.

Graflar

Tanım
Graf

Bir düğümler (köşeler) kümesi V ile her biri iki düğümü birleştiren bir kenarlar kümesi E: G = (V, E). v'nin derecesi deg(v), v'ye bağlı kenar sayısıdır. Yol, kenarlarla birleşen düğümler dizisidir; döngü kapalı bir yoldur; her iki düğüm bir yolla birleşiyorsa graf bağlantılıdır.

∑ deg(v) = 2 · |E|
burada:
  • deg(v)v düğümünün derecesi
  • |E|kenar sayısı

El sıkışma lemması: her kenarın iki ucu vardır. Sonuç: tek dereceli düğümlerin sayısı her zaman çifttir.

|E| = |V| − 1
burada:
  • |V|ağacın düğüm sayısı

Ağaç, döngüsü olmayan bağlantılı bir graftır (soy ağacı, bilgisayardaki klasörler, mümkün olan en az bağlantıyla kurulmuş bir ağ). Her ağaçta kenar sayısı düğüm sayısından tam bir eksiktir: herhangi bir kenar eklemek döngü oluşturur, herhangi bir kenarı silmek bağlantıyı koparır.

Bir Euler yolu her kenardan tam bir kez geçer; Euler devresi ayrıca başladığı yere döner. Euler teoremi: bağlantılı bir grafta Euler devresi ancak ve ancak tüm dereceler çiftse, (kapalı olmayan) bir Euler yolu ise ancak ve ancak tam iki düğümün derecesi tekse vardır; yol bunlardan birinde başlayıp diğerinde bitmelidir. Königsberg'de dört kara parçasının dereceleri 5, 3, 3 ve 3'tü: dört tek düğüm olduğundan yürüyüş imkânsızdır. Hamilton yolu ise her düğümden tam bir kez geçer; bunun için basit bir ölçüt bilinmez ve böyle en kısa turu bulmak (gezgin satıcı problemi) bilgisayar biliminin ünlü zor problemlerinden biridir.

Evi kalemi kaldırmadan çiz

Bir “ev”: ABCD karesi (A sol alt, B sağ alt, C sağ üst, D sol üst), AC ve BD köşegenleri ve D–E–C çatısı. Hiçbir çizgiyi iki kez çizmeden tek hamlede çizilebilir mi?

Çözümü göster
Kenarlar: AB, BC, CD, DA, AC, BD, DE, EC; toplam 8.
Dereceler: A = 3, B = 3, C = 4, D = 4, E = 2; toplam 16 = 2 · 8 ✓ (el sıkışma lemması).
Tam iki tek düğüm var (A ve B); yani bir Euler yolu vardır ve A'da ya da B'de başlamalıdır.
Bir çözüm: A → B → D → E → C → D → A → C → B.
Euler devresi ise imkânsızdır, çünkü A ve B'nin dereceleri tektir.
El sıkışmalar

a) 10 kişi buluşuyor ve her biri tam 3 kişiyle tokalaşıyor. Toplam kaç tokalaşma olur? b) 7 kişinin her biri tam 3 kişiyle tokalaşabilir mi?

Çözümü göster
a) Derecelerin toplamı 10 · 3 = 30 = 2|E|; yani 15 tokalaşma vardır.
b) Toplam 7 · 3 = 21, yani tek bir sayı olurdu; oysa 2|E|'ye eşit olmalıdır. İmkânsız.

Önemli noktalar

  • p → q yalnızca p = 1, q = 0 iken yanlıştır; p → q ≡ ¬q → ¬p, ama q → p'ye denk değildir.
  • Olumsuzlama: ∀ ile ∃, ∧ ile ∨ yer değiştirir (De Morgan) ve ¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q.
  • Tümevarım: temel adım P(1) ve tümevarım adımı P(n) ⇒ P(n + 1); ikisi de zorunludur.
  • |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|; (A ∪ B)ᶜ = Aᶜ ∩ Bᶜ.
  • Birebir ve örten = birebir + örten; yalnızca böyle bir fonksiyonun tersi vardır.
  • ∑ deg(v) = 2|E|; ağaçta |E| = |V| − 1; Euler yolu için 0 veya 2 tek düğüm gerekir.

Kendini test et

10 soru. Her doğru cevap XP kazandırır.

1 / 10
Hangi formül ¬(p → q)'ya denktir?