OpenBetaMatemática

← Temas

Lógica: conectivos y cuantificadores

La sintaxis oculta de cada prueba: el "para todo ε\varepsilon existe δ\delta" de los límites, el "si y solo si" de los teoremas, el orden \forall\exists que lo cambia todo. Cada definición rigurosa es una frase lógica disfrazada —"continua" es εδ\forall\varepsilon\,\exists\delta; "definida positiva" es x0\forall\mathbf{x}\neq\mathbf{0}, xAx>0\mathbf{x}^\top A\mathbf{x} > 0—. La lógica es la gramática; las matemáticas, las oraciones.

Proposiciones y conectivos

Una proposición tiene un valor de verdad definido (verdadera o falsa). Los conectivos las combinan: ¬P\neg P (no), PQP \wedge Q (y), PQP \vee Q (o inclusivo), PQP \Rightarrow Q (si… entonces), P    QP \iff Q (si y solo si). Tocá los valores y mirá la tabla:

Tabla de verdad de los conectivos — interactivo
PQ¬PP ∧ QP ∨ QP ⟹ QP ⟺ Q
VVFVVVV
VFFFVFF
FVVFVVF
FFVFFVV

Tocá P y Q para moverte por las filas. Fijate en P ⟹ Q: es falsa una sola vez —cuando P es verdadera y Q falsa—. Con P falsa (las dos últimas filas) la implicación es verdadera pase lo que pase con Q: es la verdad vacua, la razón de que "todo elemento del conjunto vacío cumple P" sea siempre cierto.

La verdad vacua. Cuando PP es falsa, PQP \Rightarrow Q es verdadera sin importar QQ. Desconcierta al principio, pero es clave: "todo elemento del conjunto vacío cumple PP" es siempre verdadero, porque la premisa nunca se cumple y la implicación nunca se viola. La implicación solo es falsa cuando PP es verdadera y QQ falsa.

La implicación y sus variantes

Casi todo teorema es PQP \Rightarrow Q (hipótesis ⟹ tesis). Distinguir sus variantes evita el error lógico más común:

NombreForma¿Equivale a PQP \Rightarrow Q?
DirectaPQP \Rightarrow Q
RecíprocaQPQ \Rightarrow PNO (el error clásico)
Contrarrecíproca¬Q¬P\neg Q \Rightarrow \neg P (siempre)
Inversa¬P¬Q\neg P \Rightarrow \neg QNO

La contrarrecíproca es tu mejor amiga: PQP \Rightarrow Q y ¬Q¬P\neg Q \Rightarrow \neg P son idénticas, y a veces probar la segunda es mucho más fácil (es la base de la prueba por contrarrecíproco). "Todo cuadrado es rectángulo" no dice "todo rectángulo es cuadrado": confundir un teorema con su recíproca es el desliz más frecuente —y por eso el si y solo si es tan fuerte, afirma las dos direcciones y exige probar ambas.

Predicados y cuantificadores

Un predicado P(x)P(x) tiene una variable libre y no tiene valor de verdad hasta cuantificarlo. Los cuantificadores lo cierran:

  • xP(x)\forall x\,P(x) — "para todo xx": una sola excepción la vuelve falsa.
  • xP(x)\exists x\,P(x) — "existe xx": un solo testigo la vuelve verdadera.

Y eso dicta la estrategia de la prueba: para probar xP(x)\forall x\,P(x) tomás un xx arbitrario ("sea xx cualquiera…") y no usás nada particular de él; para refutarlo, basta un contraejemplo. Para probar xP(x)\exists x\,P(x) exhibís un testigo concreto; para refutarlo, mostrás que ninguno sirve.

El orden importa: \forall\exists vs. \exists\forall

Acá está lo que separa entender la lógica de recitarla. Cambiar el orden cambia el significado:

xyP(x,y)≢yxP(x,y).\forall x\,\exists y\,P(x,y) \quad\not\equiv\quad \exists y\,\forall x\,P(x,y).

Con P(x,y)P(x,y) = "yy es la madre de xx": xy\forall x\,\exists y es "todo xx tiene madre" (yy depende de xx —cada quien la suya—, verdadero); yx\exists y\,\forall x es "existe alguien que es madre de todos" (un solo yy universal, falso). En \forall\exists elegís yy después de ver xx (se adapta); en \exists\forall fijás yy primero y debe servir para todo xx —mucho más fuerte—.

Es el corazón de ε-δ. La continuidad es ε>0 δ>0 x(xa<δf(x)L<ε)\forall\varepsilon > 0\ \exists\delta > 0\ \forall x\,(\lvert x - a\rvert < \delta \Rightarrow \lvert f(x) - L\rvert < \varepsilon). Primero te dan ε\varepsilon (el reto), después producís δ\delta —que puede depender de ε\varepsilon (por eso escribís "δ=ε/2\delta = \varepsilon/2")—. Si el orden fuera δε\exists\delta\,\forall\varepsilon, necesitarías un δ\delta universal: eso es continuidad uniforme, una propiedad mucho más fuerte. El orden de los cuantificadores es, literalmente, la diferencia entre continuidad y continuidad uniforme.

Negación: intercambia cuantificadores

Para probar por contradicción —o entender qué significa que algo falle— hay que negar. La regla es mecánica: negar intercambia \forall \leftrightarrow \exists y niega el interior.

¬(xP(x))x¬P(x),¬(xP(x))x¬P(x).\neg(\forall x\,P(x)) \equiv \exists x\,\neg P(x), \qquad \neg(\exists x\,P(x)) \equiv \forall x\,\neg P(x).

Para conectivos, De Morgan: ¬(PQ)¬P¬Q\neg(P \wedge Q) \equiv \neg P \vee \neg Q y ¬(PQ)¬P¬Q\neg(P \vee Q) \equiv \neg P \wedge \neg Q. Negando la continuidad (cada cuantificador se voltea, y ¬(AB)A¬B\neg(A \Rightarrow B) \equiv A \wedge \neg B):

εδx(xa<δ  f(x)Lε),\exists\varepsilon\,\forall\delta\,\exists x\,\bigl(\lvert x - a\rvert < \delta \ \wedge\ \lvert f(x) - L\rvert \ge \varepsilon\bigr),

"hay un ε\varepsilon malo tal que, para cualquier δ\delta, existe un xx cerca de aa cuya imagen se escapa". Así se prueba que algo no es continuo: exhibiendo ese ε\varepsilon.

Cuantificadores acotados

Casi nunca cuantificás sobre "todo lo que existe", sino sobre un dominio SS. Cómo se desempaquetan —y por qué cada uno usa un conectivo distinto—:

xSP(x)    x(xSP(x)),xSP(x)    x(xSP(x)).\forall x \in S\,P(x) \;\equiv\; \forall x\,(x \in S \Rightarrow P(x)), \qquad \exists x \in S\,P(x) \;\equiv\; \exists x\,(x \in S \wedge P(x)).

El \forall usa implicación (para los xSx \notin S se cumple vacuamente, sin afirmar nada de ellos); el \exists usa conjunción (querés un testigo que de verdad esté en SS y cumpla PP). Al negar, el dominio sobrevive y se niega la conclusión: la negación de "AA es definida positiva" (x0, xAx>0\forall \mathbf{x} \neq \mathbf{0},\ \mathbf{x}^\top A\mathbf{x} > 0) es x0\exists \mathbf{x} \neq \mathbf{0} con xAx0\mathbf{x}^\top A\mathbf{x} \le 0 —el vector testigo que se exhibe para probar que no es PD—.

Leer definiciones como lógica

El hábito que vale oro: traducir cada definición a su esqueleto lógico y mirar el cuantificador más externo —él dicta el arranque de la prueba—.

DefiniciónForma lógica
Acotado superiormenteMxS(xM)\exists M\,\forall x \in S\,(x \le M)
ff continua en aaε>0δ>0x(xa<δf(x)f(a)<ε)\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0\,\forall x\,(\lvert x-a\rvert<\delta \Rightarrow \lvert f(x)-f(a)\rvert<\varepsilon)
{vi}\{v_i\} independientec(civi=0i(ci=0))\forall c\,(\sum c_i v_i = 0 \Rightarrow \forall i\,(c_i = 0))
AA definida positivax(x0xAx>0)\forall \mathbf{x}\,(\mathbf{x} \neq \mathbf{0} \Rightarrow \mathbf{x}^\top A\mathbf{x} > 0)
anLa_n \to Lε>0Nn(nNanL<ε)\forall\varepsilon>0\,\exists N\,\forall n\,(n \ge N \Rightarrow \lvert a_n - L\rvert < \varepsilon)

Si empieza con \forall, la prueba arranca "sea [algo] arbitrario"; si con \exists, "propongo [testigo]"; si es εδ\forall\varepsilon\,\exists\delta, vas a construir δ\delta en función de ε\varepsilon. La estructura lógica te da el esqueleto de la demostración antes de pensar en el contenido.

Recall activo

  1. Escribí la contrarrecíproca de "si x0\mathbf{x} \neq \mathbf{0} entonces Ax0A\mathbf{x} \neq \mathbf{0}".
  2. Negá: ε>0δ>0(xa<δf(x)L<ε)\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0\,(\lvert x-a\rvert<\delta \Rightarrow \lvert f(x)-L\rvert<\varepsilon).
  3. ¿Cuál es más fuerte, xy\forall x\,\exists y o yx\exists y\,\forall x?
  4. Desempaquetá y negá "MxS(xM)\exists M\,\forall x \in S\,(x \le M)" (acotado superiormente).

Soluciones: (1) "si Ax=0A\mathbf{x} = \mathbf{0} entonces x=0\mathbf{x} = \mathbf{0}"; (2) ε>0δ>0(xa<δf(x)Lε)\exists\varepsilon>0\,\forall\delta>0\,(\lvert x-a\rvert<\delta \wedge \lvert f(x)-L\rvert\ge\varepsilon); (3) yx\exists y\,\forall x (un yy universal); (4) negación: MxS(x>M)\forall M\,\exists x \in S\,(x > M) —para toda cota hay un elemento que la supera, o sea no acotado—.

Con esta gramática, las definiciones dejan de ser fórmulas a memorizar: son frases que se leen, y cuyo esqueleto de prueba se ve de inmediato.