Matematika Komputasi Metode Strategi Pembuktian Aturan Inferensi Aturan

Matematika Komputasi Metode + Strategi Pembuktian

Aturan Inferensi

Aturan Inferensi (2) x P(x) P(c) Universal instantiation P(c) utk setiap c x P(x) Universal generalization x P(x) P(c) utk suatu c Existential instantiation P(c) utk suatu c x P(x) Existential generalization

Intro • Sulitnya membuktikan teorema matematika • Perlu beberapa pendekatan dengan berbagai metode • • • Pembuktian langsung Pembuktian tidak langsung Pembuktian kosong dan trivial Pembuktian dengan kontradiksi dll

Metode Pembuktian (1) • Bukti langsung dan Tak langsung 1. Bukti Langsung Implikasi p q dapat dibuktikan dengan menunjukkan jika p benar maka q juga harus benar. Soal 9. Berikan bukti langsung dari “Jika n bilangan bulat ganjil maka n 2 ganjil. ” 2. Bukti Tak langsung Karena p q ekivalen dengan q p maka p q dapat dibuktikan dengan menunjukkan bhw q p benar. Soal 10. Berikan bukti dari “Jika n 2 ganjil maka n ganjil. ”

Bukti kosong dan bukti trivial Bukti kosong Jika hipotesis p dari implikasi p q salah, maka p q selalu benar, apapun nilai kebenaran dari q. Contoh. P(n): Jika n > 1, maka n 2 > 1. Tunjukkan P(0) benar. Bukti trivial Jika konklusi q dari implikasi p q benar, maka p q selalu benar, apapun nilai kebenaran dari p. Contoh. P(n): Jika a, b integer positif dengan a b, maka an bn. Tunjukkan P(0) benar.

Bukti kosong Jika hipotesis p dari implikasi p q salah, maka p q selalu benar, apapun nilai kebenaran dari q. Contoh. P(n): Jika n > 1, maka n 2 > 1. Tunjukkan P(0) benar. p q 0 0 1 1 1

Metode Pembuktian (2) • Bukti dengan kontradiksi 1. Tunjukkan bahwa sedikitnya ada 4 hari yang sama dari pilihan 22 hari sebarang. 2. Buktikan bahwa 2 irasional. bukti tak langsung bukti dg kontradiksi 3. Tunjukkan bahwa jika n 2 ganjil maka n ganjil.

Metode Pembuktian (3) • Bukti eksistensi 1. Bukti Eksistensi Konstruktif 1. Tunjukkan bahwa ada bilangan bulat positif yang dapat dituliskan sebagai jumlah dua bilangan pangkat 3. Solusi. 1729 = 103 + 93 = 123 + 13. 2. Tunjukkan bahwa ada bilangan bulat positif yg sama dengan jumlah bilangan-bilangan bulat positif yg tidak melebihinya. 2. Bukti Eksistensi Nonkonstruktif Tunjukkan bhw ada bilangan irrasional x dan y sehingga xy rasional. Solusi. Kita tahu bahwa 2 irrasional. Pandang 2 2. Jika ia rasional maka terbukti. Jika tidak, perhatikan ( 2 2) 2= 22=2. Jadi terbukti ada pasangan (x= 2, y = 2) atau (x= 2 2 dan y= 2) yg salah satunya memenuhi xy rasional.

Metode Pembuktian (4) • Bukti Ketunggalan Ada 2 bagian dalam bukti ketunggalan: • Menunjukkan bahwa ada elemen x yg memenuhi sifat yg diinginkan. (existence) • Menunjukkan bahwa jika y x maka y tidak memenuhi sifat yg diinginkan. (uniqueness) Contoh. Tunjukkan bahwa setiap bilangan bulat mempunyai invers penjumlahan yang tunggal. Solusi. Jika p bulat maka p+q = 0 ketika q = -p, dan q juga bulat. Untuk menunjukkan ketunggalan, misalkan ada r bulat dengan r q dan p+r=0. Maka p+q = p+r. Dengan mengurangi kedua ruas dgn p didapat q=r, kontradiksi dgn r q. Jadi ada bilangan bulat q yang tunggal sehingga p+q=0.

Metode Pembuktian (5) • Contoh penyangkal (counter example) • Tunjukkan bahwa pernyataan “setiap bilangan bulat positif adalah hasil tambah dari tiga bilangan kuadrat” adalah salah. • Solusi. Pernyataan ini benar untuk beberapa nilai, mis. 1=02+02+12; 2=02+12+12 ; 3=12+12+12 ; 4=02+02+22 ; 5=02+12+22 ; 6=12+12+22. Tapi kita tidak dapat mengekspresikan seperti di atas untuk bilangan 7. Jadi bilangan 7 merupakan contoh penyangkal dari pernyataan di atas.

Strategi Pembuktian ”Finding proofs can be a challenging business” Matematikawan memformulasikan conjecture dan kemudian mencoba membuktikan bahwa conjecture tersebut benar atau salah. Ketika dihadapkan dengan pernyataan yang akan dibuktikan: • terjemahkan setiap istilah dengan definisinya • analisa arti dari hipotesis dan kesimpulan • coba membuktikan dengan menggunakan salah satu dari metoda pembuktian Jika pernyataan berupa implikasi; coba buktikan dengan bukti langsung. Bila gagal, coba dengan bukti tak langsung. Bila tidak berhasil juga coba dengan bukti kontradiksi.

Proses Maju & Mundur Apa pun metoda yang digunakan, dalam melakukan proses pembuktian diperlukan titik awal. Proses maju: hipotesis aksioma & teorema kesimpulan Namun seringkali, proses maju sukar untuk digunakan dalam pembuktian sesuatu yang tidak sederhana. Sehingga kita harus mengkombinasikan dengan proses mundur.

Proses Maju & Mundur (2) Contoh. Tunjukkan bahwa jika segitiga siku-siku RST dengan sisi tegak r, s, dan sisi miring t mempunyai luas t 2/4, maka segitiga tersebut sama kaki. Solusi. A: Segitiga RST dengan sisi r, s dan sisi miring t dengan luas t 2/4. A 1: rs/2 = t 2/4 A 2: (r 2+s 2) = t 2. A 3: rs/2 = (r 2+s 2)/4 A 4: (r 2 -2 rs+s 2) = 0 A 5: (r-s)2 = 0. B 2: r-s = 0 B 1: r = s B: Segitiga RST sama kaki. t r s

Proses Maju & Mundur Bukti 1. Dari hipotesis dan rumus luas segitiga siku-siku, Luas RST = rs/2 = t 2/4. Hukum Pythagoras memberikan r 2+s 2=t 2, dan bila r 2+s 2 disubstitusikan kedalam t 2, dengan sedikit manipulasi aljabar didapat (r-s)2=0. Sehingga r=s dan segitiga RST samakaki. Bukti 2. Hipotesis dengan hukum Pythagoras menghasilkan r 2+s 2=2 rs; sehingga (r-s) = 0. Maka segitiga RST samakaki.

Proses Maju & Mundur (4) Contoh. Tunjukkan bahwa untuk setiap bilangan real positif x dan y yang berbeda berlaku (x+y)/2 > x y. Solusi. • B: (x+y)/2 > x y • B 1: (x+y)2 /4 > xy • B 2: (x+y)2 > 4 xy • B 3: x 2 +2 xy+y 2 > 4 xy • B 4: x 2 - 2 xy+y 2 > 0 • B 5: (x-y)2 > 0 • B 6: x y. Bukti. Karena x dan y berbeda maka (xy)2 > 0. Ini berarti x 2 +2 xy+y 2 > 4 xy. Sehingga, (x+y)2 > 4 xy yang memberikan (x+y)/2 > x y.

The Stone game Dua orang memainkan suatu game dengan bergantian mengambil 1, 2, atau 3 batu pada setiap pengambilan dari suatu kotak yg semula berisi 15 batu. Orang yang mengambil batu terakhir adalah pemenangnya. Tunjukkan bhw pemain pertama dapat selalu menang, tidak peduli apa yang dilakukan oleh pemain kedua.

The Stone Game - proses mundur Pemain 1 Pemain 2 0 1, 2, 3 4 5, 6, 7 8 9, 10, 11 12 13, 14, 15

The Stone game - bukti Teorema. Pemain pertama selalu dapat “memaksakan” kemenangan. Bukti. Pemain 1 dapat mengambil 3 batu, meninggalkan 12. Setelah giliran pemain 2, terdapat 11, 10, atau 9 batu yang tinggal. Dalam setiap kasus tersebut, pemain 1 dapat mengurangi jumlah batu yang tertinggal menjadi 8. Maka, pemain 2 dapat mengurangi kembali menjadi 7, 6, atau 5. Akibatnya, pemain 1 dapat meninggalkan sejumlah 4 batu. Sehingga pemain 2 harus meninggalkan 3, 2, atau 1. Pemain 1 kemudian mengambil semua batu yang tersisa dan memenangkan permainan.

Bukti Kasus per Kasus Jika tidak dimungkinkan untuk membahas semua kasus sekaligus, maka bukti perlu dipecah-pecah ke dalam kasus per kasus. Contoh. Buktikan bahwa jika n bulat dan tidak habis dibagi oleh 2 atau 3 maka n 2 – 1 habis dibagi 24. Solusi. n bilangan bulat dapat dinyatakan sebagai n=6 k+j, j {0, 1, 2, 3, 4, 5}. Krn n tidak habis dibagi oleh 2 atau 3 maka n=6 k+1 atau n=6 k+5. Jadi ada 2 kasus yg perlu diperhatikan.

Bukti kasus per kasus Suatu pernyataan yang universal tidak dapat dibuktikan dengan menggunakan contoh, kecuali jika domain pembicaraan dapat direduksi menjadi contoh–contoh yang jumlahnya berhingga dan bukti yang diberikan mempertimbangkan semua contoh tersebut! Contoh. Tunjukkan bhw tidak ada solusi bulat x dan y yang memenuhi x 2 + 3 y 2 =8. Solusi. Karena x 2 > 8 bila |x| 3 dan 3 y 2 > 8 bila |y| 2, maka kasus tersisa yang harus diperiksa adalah untuk x = -2, -1, 0, 1, atau 2 dan y = -1, 0 atau 1. Untuk nilai x demikian didapat x 2 = 0, 1 atau 4, sedangkan 3 y 2 = 0 atau 3. Jadi nilai maksimum dari x 2 +3 y 2 = 7. Dengan demikian tidak ada x dan y bulat yang memenuhi x 2 +3 y 2 =8.

Conjecture (dugaan) • Buku matematika secara formal hanya menyajikan teorema dan bukti saja. • Melalui penyajian seperti ini, kita tidak dapat mengetahui proses pencarian (discovery process) dalam matematika • Proses ini meliputi: • • eksplorasi konsep & contoh, formulasi conjecture, dan (Conjecture diformulasikan dengan didasarkan pada beberapa possible evidence. ) usaha menjawab conjecture dengan bukti atau counterexamples.

Memformulasikan conjecture Perhatikan berikut ini: • 24 – 1 = 15 = 3 5 • 25 – 1 = 31 prima • 26 – 1 = 63 = 7 9 • 28 – 1 = 255 = 5 51 • 34 – 1 = 80 = 8 10 Kita tahu bhw xn – 1 = (x-1)(xn-1 +xn-2 + … + x + 1) Namun, faktorisasi ini bermasalah bila x=2. Conjecture. Bilangan an-1 komposit bila a > 2 atau bila a=2 dan n komposit.

Membuktikan conjecture • Bukti. Kasus i) Bila a > 2 maka (a-1) adalah faktor dari an-1 karena an – 1 = (a-1)(an-1 +an-2 + … + a + 1) dan 1 < (a-1) < (an-1). • Kasus ii) Bila a=2 dan n komposit maka ada s dan t sehingga n = st dengan 1 < s t < n. Sehingga, 2 s-1 faktor dari 2 n-1 karena 2 n – 1 = (2 s-1)(2 s(t-1) +2 s(t-2) + … + 2 s + 1). Jadi 2 n – 1 komposit. • Jadi conjecture menjadi teorema.

Conjecture dan counter example • Apakah ada fungsi f sehingga f(n) prima untuk semua bilangan bulat positif n ? • Conjecture. f(n) = n 2 – n +41. • Karena f(1) = 41, f(2) = 43, f(3) = 47, f(4)= 53, …. • Oopps! Tapi… f(41) = 412 komposit. Jadi f(n) bukan fungsi penghasil bilangan prima. Conjecture salah. • Untuk setiap polinom f(n) dengan koefisien bulat senantiasa ada bilangan bulat y sehingga f(y) komposit.

Even Great Mathematicians Can Propose False Conjectures! • Euler memformulasikan conjecture bahwa untuk n>2, jumlah dari n− 1 buah pangkat ke-n bilangan bulat positif bukanlah merupakanbilangan pangkat ke-n. Benar untuk semua kasus yang diperiksa selama 200 tahun, namun tidak ada bukti yang ditemukan. • Akhirnya, pada tahun 1966, Lander dan Parkin menemukan counter-example untuk n=5 275 + 845 + 1105 + 1335 = 1445. Counter-example juga ditemukan untuk n=4, tetapi belum ada untuk n>5.

Beberapa conjecture terkenal 1. Fermat’s Last Theorem • Persamaan xn + yn = zn tidak mempunyai solusi bulat x, y, dan z dengan xyz 0 dan n > 2. Goldbach’s Conjecture (1742) • Goldbach: “Setiap bilangan bulat ganjil n, n > 5, dapat ditulis sebagai jumlah 3 bilangan prima. ” • Euler: ekivalen dengan “Setiap bilangan bulat genap n, n > 2, dapat ditulis sebagai jumlah 2 bilangan prima. ” • Telah dicek dengan komputer bhw Goldbach’s conjecture benar utk semua bilangan 4. 1014. 3. The Twin Prime Conjecture 4. The 3 x+1 Conjecture (Collatz problem, Hasse’s algorithm, Ulam’s problem, Syracuse problem, Kakutani’s problem).

Terimakasih. . .

Kerjakan soal • Soal pada slide 5 • Soal pada slide 7 • Soal pada buku Discrete Mathematics and Its Application pada halaman 108 no 1 -3 • Tugas dikerjakan kelompok