Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt n e g n e , pr n s e l n e na m o h g a a Di nR e d die Mathe-Olympiade Hessen 27. Februar 2010 Martin Otto Arbeitsgruppe Logik Fachbereich Mathematik Technische Universität Darmstadt www.mathematik.tu-darmstadt.de/˜otto 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 1/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt 11 1 1 1 1 1 1 11 11 11 11 11 11 1 1 1 paradox? 1 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 1 111 11 11 11 11 11 11 11 11 11 1 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 2/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt . . . hängt vom Betrachter ab 11 1 1 1 1 1 1 11 11 11 11 11 11 1 1 1 paradox? 1 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 1 111 11 11 11 11 11 11 11 11 11 1 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 2/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Übersicht • Gefahr und Reiz logischer Diagonalen“ ” • Diagonalisierung über Mengen • Diagonalisierung über Algorithmen • Diagonalisierung über formale Systeme 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 3/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Übersicht • Gefahr und Reiz logischer Diagonalen“ ” Epimenides (7.Jh.v.Chr.) • Diagonalisierung über Mengen Cantor (1845–1918), Russell (1872–1970) • Diagonalisierung über Algorithmen Turing (1912–1954) • Diagonalisierung über formale Systeme Gödel (1906–1978) 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 3/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil I: Ein Beispiel logischer Diagonalisierung überlieferte Quelle: Epimenides, Kreta, 7.Jh.v.Chr. Voraussetzungen (klassische Logik): • Aussagen entweder wahr oder falsch • Wahrheitswerte 1 (wahr) 0 (falsch) Wir betrachten Aussagen, die über andere Aussagen sprechen: 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 4/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil I: Ein Beispiel logischer Diagonalisierung überlieferte Quelle: Epimenides, Kreta, 7.Jh.v.Chr. Voraussetzungen (klassische Logik): • Aussagen entweder wahr oder falsch • Wahrheitswerte 1 (wahr) 0 (falsch) Wir betrachten Aussagen, die über andere Aussagen sprechen: (A): (B) ist wahr. A sagt dasselbe wie B“ ” 2010 Martin Otto (A ≡ B) Diagonalen, die den Rahmen sprengen 4/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil I: Ein Beispiel logischer Diagonalisierung überlieferte Quelle: Epimenides, Kreta, 7.Jh.v.Chr. Voraussetzungen (klassische Logik): • Aussagen entweder wahr oder falsch • Wahrheitswerte 1 (wahr) 0 (falsch) Wir betrachten Aussagen, die über andere Aussagen sprechen: (A): (B) ist wahr. A sagt dasselbe wie B“ ” 2010 Martin Otto (A ≡ B) Diagonalen, die den Rahmen sprengen AB 0 1 0 X # 1 # X 4/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil I: Ein Beispiel logischer Diagonalisierung überlieferte Quelle: Epimenides, Kreta, 7.Jh.v.Chr. Voraussetzungen (klassische Logik): • Aussagen entweder wahr oder falsch • Wahrheitswerte 1 (wahr) 0 (falsch) Wir betrachten Aussagen, die über andere Aussagen sprechen: (A): (B) ist falsch. A sagt das genaue Gegenteil von B“ ” 2010 Martin Otto (A 6≡ B) Diagonalen, die den Rahmen sprengen 4/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil I: Ein Beispiel logischer Diagonalisierung überlieferte Quelle: Epimenides, Kreta, 7.Jh.v.Chr. Voraussetzungen (klassische Logik): • Aussagen entweder wahr oder falsch • Wahrheitswerte 1 (wahr) 0 (falsch) Wir betrachten Aussagen, die über andere Aussagen sprechen: (A): (B) ist falsch. A sagt das genaue Gegenteil von B“ ” 2010 Martin Otto (A 6≡ B) Diagonalen, die den Rahmen sprengen AB 0 1 0 # X 1 X # 4/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Diagonalisierung: Epimenides’ Lügner (A) : (B) ist wahr. (B) : (A) ist falsch. 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 5/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Diagonalisierung: Epimenides’ Lügner (A) : (B) ist wahr. (B) : (A) ist falsch. AB 0 1 0 # # 1 # # A ≡ B 6≡ A 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 5/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Diagonalisierung: Epimenides’ Lügner (A) : (B) ist wahr. (B) : (A) ist falsch. AB 0 1 0 # # 1 # # A ≡ B 6≡ A (A) : (A) ist falsch. Diese Aussage ist falsch.“ ” A besagt sein eigenes Gegenteil“, A 6≡ A ” 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 5/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Diagonalisierung: Epimenides’ Lügner (A) : (B) ist wahr. (B) : (A) ist falsch. AB 0 1 0 # # 1 # # A ≡ B 6≡ A (A) : (A) ist falsch. Diese Aussage ist falsch.“ ” A besagt sein eigenes Gegenteil“, A 6≡ A ” A ist nicht bloß falsch, sondern sinnlos; vielleicht garkeine Aussage? 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 5/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Welcher Rahmen wird hier gesprengt? Gesprengt: • die Welt einfacher logischer Aussagen mit konsistenter Wahrheitsbewertung Problematisch (im Gegensatz zu harmloseren Aussagen): • innerer Bezug auf den Wahrheitswert der gesamten Aussage (A) : . . . (A) . . . 2010 Martin Otto Diese Aussage“ ” Diagonalen, die den Rahmen sprengen 6/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Welcher Rahmen wird hier gesprengt? . . . und wodurch? Gesprengt: • die Welt einfacher logischer Aussagen mit konsistenter Wahrheitsbewertung Problematisch (im Gegensatz zu harmloseren Aussagen): • innerer Bezug auf den Wahrheitswert der gesamten Aussage (A) : . . . (A) . . . Diese Aussage“ ” Selbstbezüglichkeit 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 6/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil II: Diagonalisierung über Mengen Georg Cantor (1845–1918) 2010 Martin Otto Bertrand Russell (1872–1970) Diagonalen, die den Rahmen sprengen 7/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil II: Diagonalisierung über Mengen Georg Cantor (1845–1918) Begriffe der elementaren Mengenlehre: a ∈ M: a ist Element der Menge M; A ⊆ M: A ist Teilmenge von M; A := {a ∈ M : a hat Eigenschaft E } ⊆ M, die durch E definierte Teilmenge von M. 2010 Martin Otto •b • A Diagonalen, die den Rahmen sprengen •a • • • M 7/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Drei Fragen zu Mengen: (1): Wieviele Teilmengen hat eine n-elementige Menge? (2): Wieviele Teilmengen hat die (unendliche) Menge der natürlichen Zahlen N = {0, 1, 2, 3, . . .}? (3): Kann es eine/die Menge aller Mengen geben? 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 8/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (1): Wieviele Teilmengen hat eine n-elementige Menge? das wisst ihr! 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 9/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (1): Wieviele Teilmengen hat eine n-elementige Menge? das wisst ihr! Erinnerung: Eine Teilmenge A ⊆ M besteht ausschließlich aus Elementen von M 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 9/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (1): Wieviele Teilmengen hat eine n-elementige Menge? das wisst ihr! Erinnerung: Eine Teilmenge A ⊆ M besteht ausschließlich aus Elementen von M Beispiel: 2010 M = {1, 2, 3, 4, 5} hat fünf Elemente und wieviele Teilmengen? Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 9/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (1): Wieviele Teilmengen hat eine n-elementige Menge? das wisst ihr! Erinnerung: Eine Teilmenge A ⊆ M besteht ausschließlich aus Elementen von M Beispiel: M = {1, 2, 3, 4, 5} hat fünf Elemente und wieviele Teilmengen? Antwort: 2n 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 9/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (2): Wieviele Teilmengen hat die Menge N = {0, 1, 2, . . .} → Cantor was heißt hier ‘wieviele’ ? Wir wollen uns überzeugen, dass es keine vollständige Aufzählung aller Teilmengen A ⊆ N geben kann: Zu jeder (unendlichen) Liste von Teilmengen A0 , A1 , A2 , . . . von N gibt es mindestens eine Teilmenge A ⊆ N, die in dieser Liste nicht vorkommt! 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 10/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (2): Wieviele Teilmengen hat die Menge N = {0, 1, 2, . . .} → Cantor was heißt hier ‘wieviele’ ? Wir wollen uns überzeugen, dass es keine vollständige Aufzählung aller Teilmengen A ⊆ N geben kann: Zu jeder (unendlichen) Liste von Teilmengen A0 , A1 , A2 , . . . von N gibt es mindestens eine Teilmenge A ⊆ N, die in dieser Liste nicht vorkommt! Beweis durch Diagonalisierung: Wir beschreiben anhand einer gegebenen Liste A0 , A1 , A2 , . . . eine Teilmenge A, die von allen An verschieden ist: A := {n ∈ N : n 6∈ An } Dann ist n ∈ A genau dann, wenn n 6∈ An ; also ist A 6= An . 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 10/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Das Diagonalisierungs-Argument 0 1 A0 X × 2 3 4 5 X X × X X X A1 X X X X X A2 A3 A4 .. . A 2010 × 6 × 7 ... × × X × X X X × × × X × X × X × × X × × X × X × × × × Martin Otto X × X Diagonalen, die den Rahmen sprengen 11/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Das Diagonalisierungs-Argument 0 1 A0 X × 2 3 4 5 X X × X X X A1 X X X X X 2010 A2 × × × X A3 × × × X × A4 .. . × × X A × × X × X Martin Otto × × 6 × 7 ... × X X X X × X × × X × X Diagonalen, die den Rahmen sprengen 12/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Konsequenzen • Es muss Teilmengen A ⊆ N geben, die durch keine (aufschreibbare) Eigenschaft definierbar sind. • Es gibt unterschiedliche Grade von Unendlichkeit; genau wie die Menge aller Teilmengen von N, ist R (die Menge der reellen Zahlen) viel unendlicher“ als N, ” während Q, Z und N auf der gleichen Stufe stehen (Cantor). 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 13/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (3): Es kann keine Menge aller Mengen geben! → Russell Wäre A die Menge aller Mengen, so müsste A ∈ A sein (aber das schreckt uns noch nicht). 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 14/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (3): Es kann keine Menge aller Mengen geben! → Russell Wäre A die Menge aller Mengen, so müsste A ∈ A sein (aber das schreckt uns noch nicht). Wir sehen auf B := {M ∈ A : M 6∈ M} 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 14/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (3): Es kann keine Menge aller Mengen geben! → Russell Wäre A die Menge aller Mengen, so müsste A ∈ A sein (aber das schreckt uns noch nicht). Wir sehen auf B := {M ∈ A : M 6∈ M} Was gilt: B ∈ B oder B 6∈ B? 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 14/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (3): Es kann keine Menge aller Mengen geben! → Russell Wäre A die Menge aller Mengen, so müsste A ∈ A sein (aber das schreckt uns noch nicht). Wir sehen auf B := {M ∈ A : M 6∈ M} Was gilt: B ∈ B oder B 6∈ B? B∈B Wir finden: beides unmöglich! B 6∈ B 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen → Lügner 14/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (3): Es kann keine Menge aller Mengen geben! → Russell Wäre A die Menge aller Mengen, so müsste A ∈ A sein (aber das schreckt uns noch nicht). Wir sehen auf B := {M ∈ A : M 6∈ M} Was gilt: B ∈ B oder B 6∈ B? B∈B Wir finden: beides unmöglich! B 6∈ B → Lügner Es folgt, dass A als Menge nicht existiert! 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 14/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt (3): Es kann keine Menge aller Mengen geben! → Russell Wäre A die Menge aller Mengen, so müsste A ∈ A sein (aber das schreckt uns noch nicht). Wir sehen auf B := {M ∈ A : M 6∈ M} Was gilt: B ∈ B oder B 6∈ B? B∈B Wir finden: beides unmöglich! B 6∈ B → Lügner Es folgt, dass A als Menge nicht existiert! “A vanishes in a puff of logic” Hitchhiker’s Guide to the Galaxy 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 14/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil III: Diagonalisierung über Algorithmen/Programme Alan Turing (1912–1954) und das Halteproblem“ als Quelle ” vieler Unmöglichkeitsbeweise Algorithmus = Berechnungsverfahren/Lösungsverfahren Al Chwarismi (∼ 800) 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 15/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil III: Diagonalisierung über Algorithmen/Programme Alan Turing (1912–1954) und das Halteproblem“ als Quelle ” vieler Unmöglichkeitsbeweise Algorithmus = Berechnungsverfahren/Lösungsverfahren Al Chwarismi (∼ 800) 2010 Martin Otto Alan Turing (1912–1954) Diagonalen, die den Rahmen sprengen 15/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Algorithmen/Berechnungsverfahren können viele Entscheidungsprobleme lösen, z.B.: Zu gegebenem n ∈ N: Ist n gerade? Zu gegebenen k, m, n ∈ N: Ist k ∗ m = n? Zu gegebenem Sudoku S: Ist S lösbar? Zu gegebener Schach-Position: Kann Weiß Gewinn erzwingen? 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 16/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Gibt es (sinnvoll gestellte, mathematische) Probleme, die prinzipiell nicht durch Algorithmen zu lösen sind? Verfahren/Programme/Computer 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen Kreativität? 17/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Gibt es (sinnvoll gestellte, mathematische) Probleme, die prinzipiell nicht durch Algorithmen zu lösen sind? Verfahren/Programme/Computer Kreativität? Annahmen: • Verfahren V sind als Texte (Programme) hV i kodiert und anhand der kodierten Fassung auf Eingaben ausführbar. • Um ein Entscheidungsproblem zu lösen, muss ein Verfahren auf jede (zulässige) Eingabe nach endlich vielen Schritten korrekt JA oder NEIN antworten (jedenfalls terminieren/anhalten). 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 17/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Gibt es (sinnvoll gestellte, mathematische) Probleme, die prinzipiell nicht durch Algorithmen zu lösen sind? Verfahren/Programme/Computer Kreativität? Annahmen: • Verfahren V sind als Texte (Programme) hV i kodiert und anhand der kodierten Fassung auf Eingaben ausführbar. • Um ein Entscheidungsproblem zu lösen, muss ein Verfahren auf jede (zulässige) Eingabe nach endlich vielen Schritten korrekt JA oder NEIN antworten (jedenfalls terminieren/anhalten). Ein gefährlich klingendes Entscheidungsproblem: Zu gegebenen Verfahren V , W : Hält V auf Eingabe hW i schließlich an? 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 17/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Halteproblem: Diagonalisierung Nützliche Variante (→ Selbstreferenz, Lügner, Russell): Zu gegebenen Verfahren V: Hält V auf Eingabe hVi schließlich an? 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen (H) 18/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Halteproblem: Diagonalisierung Nützliche Variante (→ Selbstreferenz, Lügner, Russell): Zu gegebenen Verfahren V: Hält V auf Eingabe hVi schließlich an? (H) Annahme, Verfahren T löst dieses Entscheidungsproblem H: Für jedes V liefert T auf Eingabe hV i NEIN falls V auf hV i nicht anhält. JA falls V auf hV i schließlich anhält. 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 18/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Halteproblem: Diagonalisierung Nützliche Variante (→ Selbstreferenz, Lügner, Russell): Zu gegebenen Verfahren V: Hält V auf Eingabe hVi schließlich an? (H) Annahme, Verfahren T löst dieses Entscheidungsproblem H: Für jedes V liefert T auf Eingabe hV i NEIN falls V auf hV i nicht anhält. JA falls V auf hV i schließlich anhält. Wir könnten dann T etwas umbauen zu T 0 : nicht-terminierende Schleife statt Antwort JA“ ” 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 18/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Halteproblem: Diagonalisierung Nützliche Variante (→ Selbstreferenz, Lügner, Russell): Zu gegebenen Verfahren V: Hält V auf Eingabe hVi schließlich an? (H) Annahme, Verfahren T löst dieses Entscheidungsproblem H: Für jedes V liefert T 0 auf Eingabe hV i NEIN falls V auf hV i nicht anhält. ∞ falls V auf hV i schließlich anhält. Wir könnten dann T etwas umbauen zu T 0 : nicht-terminierende Schleife statt Antwort JA“ ” 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 18/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Halteproblem: Diagonalisierung Wenn es ein Verfahren zur Lösung von H gäbe, dann auch ein Verfahren T 0 : Für jedes V liefert T 0 auf Eingabe hV i NEIN falls V auf hV i nicht anhält. ∞ falls V auf hV i schließlich anhält. Was liefert dieses T 0 auf Eingabe hT 0 i? 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 19/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Halteproblem: Diagonalisierung Wenn es ein Verfahren zur Lösung von H gäbe, dann auch ein Verfahren T 0 : Für jedes V liefert T 0 auf Eingabe hV i NEIN falls V auf hV i nicht anhält. ∞ falls V auf hV i schließlich anhält. Was liefert dieses T 0 auf Eingabe hT 0 i? NEIN falls T 0 auf hT 0 i nicht anhält. ∞ falls T 0 auf hT 0 i schließlich anhält. 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen # 19/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Halteproblem: Diagonalisierung Wenn es ein Verfahren zur Lösung von H gäbe, dann auch ein Verfahren T 0 : Für jedes V liefert T 0 auf Eingabe hV i NEIN falls V auf hV i nicht anhält. ∞ falls V auf hV i schließlich anhält. Was liefert dieses T 0 auf Eingabe hT 0 i? NEIN falls T 0 auf hT 0 i nicht anhält. ∞ falls T 0 auf hT 0 i schließlich anhält. # Auf Eingabe hT 0 i kann T 0 weder anhalten noch nicht anhalten; Es kann also kein solches T 0 geben, also auch kein T . 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 19/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Halteproblem: Diagonalisierung Wenn es ein Verfahren zur Lösung von H gäbe, dann auch ein Verfahren T 0 : Für jedes V liefert T 0 auf Eingabe hV i NEIN falls V auf hV i nicht anhält. ∞ falls V auf hV i schließlich anhält. Was liefert dieses T 0 auf Eingabe hT 0 i? NEIN falls T 0 auf hT 0 i nicht anhält. ∞ falls T 0 auf hT 0 i schließlich anhält. # Auf Eingabe hT 0 i kann T 0 weder anhalten noch nicht anhalten; Es kann also kein solches T 0 geben, also auch kein T . . . . vanishes in a puff of logic Fazit: H ist durch keinen Algorithmus lösbar. 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 19/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Konsequenzen aus Unlösbarkeit des Halteproblems Viele andere Probleme erben die prinzipielle algorithmische Unlösbarkeit vom Halteproblem, z.B.: Zu gegebenen Programmen P1 , P2 : Liefern P1 und P2 auf allen Eingaben dasselbe Ergebnis? 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 20/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Konsequenzen aus Unlösbarkeit des Halteproblems Viele andere Probleme erben die prinzipielle algorithmische Unlösbarkeit vom Halteproblem, z.B.: Zu gegebenen Programmen P1 , P2 : Liefern P1 und P2 auf allen Eingaben dasselbe Ergebnis? Zu gegebener Menge von Kacheln mit gefärbten Rändern: Kann man damit beliebig große Quadrate kacheln? • • • • • Beispiel: ••1 •, ••2 •, ••3 •, ••4 •, ••5 • 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 20/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Konsequenzen aus Unlösbarkeit des Halteproblems Viele andere Probleme erben die prinzipielle algorithmische Unlösbarkeit vom Halteproblem, z.B.: Zu gegebenen Programmen P1 , P2 : Liefern P1 und P2 auf allen Eingaben dasselbe Ergebnis? Zu gegebener Menge von Kacheln mit gefärbten Rändern: Kann man damit beliebig große Quadrate kacheln? • • • • • Beispiel: ••1 •, ••2 •, ••3 •, ••4 •, ••5 • −→ • • • • •2• •5• •2• •5• • • • • • • • • •3• •1• •3• •1• • • • • • • • • •2• •5• •2• •5• • • • • • • • • •3• •1• •3• •1• • • • • u.v.a. Fragen aus allen möglichen Bereichen der Mathematik 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 20/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Teil IV, Ausblick: Gödels Unvollständigkeits-Beweis oder: es kommt noch schlimmer Kurt Gödel (1906–1978) rechts: Albert Einstein 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 21/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Gödels Unvollständigkeitsbeweis Epimenides’ Lügner: (A): Aussage (A) ist nicht wahr“ ” Gödels Aussage: (G): Aussage (G) ist nicht beweisbar“ ” mit Bezug auf Beweisbarkeit in einem (vernünftigen) formalen System (mathematischer Beweiskalkül + Axiomensystem) 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 22/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Gödels Unvollständigkeitsbeweis Epimenides’ Lügner: (A): Aussage (A) ist nicht wahr“ ” Gödels Aussage: (G): Aussage (G) ist nicht beweisbar“ ” mit Bezug auf Beweisbarkeit in einem (vernünftigen) formalen System (mathematischer Beweiskalkül + Axiomensystem) Dann ergibt sich zwar kein Widerspruch, aber dass (G) wahr und tatsächlich nicht beweisbar ist! → 2010 prinzipielle Unvollständigkeit/Offenheit der Mathematik Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 22/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Diagonalisierung Selbstbezüglichkeit als Quelle • verblüffender Konstruktionen • überraschender Unmöglichkeitsbeweise • nachweisbarer prinzipieller Grenzen 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 23/23 Mathe-Olympiade Hessen 2010 // TU Darmstadt Diagonalisierung Selbstbezüglichkeit als Quelle • verblüffender Konstruktionen • überraschender Unmöglichkeitsbeweise • nachweisbarer prinzipieller Grenzen Unentscheidbarkeit und Unvollständigkeit sind Grundphänomene der Mathematik Mathematik und Meta-Mathematik in der mathematischen Logik 2010 Martin Otto Diagonalen, die den Rahmen sprengen 23/23