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証明法と反例md 152d631
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証明法しょうめいほうproof method反例はんれいcounterexample

document_iddoc_4169e9e02562651deb1a235b0e19b256title証明法と反例 講義type講義content_typelecturedate2026-07-14categorymathdescription直接証明、対偶証明、背理法、場合分け、反例を、集合・関係・写像で使える形で説明する。prerequisites命題・述語と量化relateddata/lecture/math/discrete-math/discrete-mathematics-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/propositions-predicates-and-quantifiers.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/partial-and-total-orders.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/injections-surjections-and-bijections.lecture.n.md / data/exercise/math/discrete-math/logic-and-proof-methods.exercise.n.md

離散数学りさんすうがくdiscrete mathematicsでは、定義ていぎから結論けつろんまでの距離きょりをできるだけみじかくすることが重要じゅうようである。しき変形へんけいよりも、「どの定義ていぎひらけばよいか」をえらちからわれる。そこで、基本きほんてき証明しょうめいproofかた整理せいりする。

data/lecture/math/discrete-math/propositions-predicates-and-quantifiers.lecture.n.md

1直接証明ちょくせつしょうめいdirect proof

直接証明ちょくせつしょうめいdirect proofは、仮定かていから定義ていぎじゅん使つかって結論けつろんみちび方法ほうほうである。

つぎれい集合しゅうごう先取さきどりする。ここでは xA を「xAげん」、AB を「任意にんいx について、xA ならば xB」とむための最小限さいしょうげん定義ていぎだけを使つかう。

たとえば ABBC から ACしめすには、包含関係ほうがんかんけいinclusion relation定義ていぎひらく。任意にんいxり、xA仮定かていする。すると AB より xB、さらに BC より xC である。したがって AC である。

2対偶証明たいぐうしょうめいproof by contraposition

対偶証明たいぐうしょうめいproof by contrapositionは、

PQ

わりに

¬Q¬P

しめ方法ほうほうである。両者りょうしゃ同値どうちである。

ここでの単射たんしゃinjectionは、あと写像しゃぞうmapしょう先取さきどりするれいである。この段階だんかいでは、対偶たいぐうかたちるために「f(x)=f(y) なら x=y」という条件じょうけんだけを使つかう。

単射たんしゃinjection証明しょうめいでは、対偶たいぐう自然しぜん使つかえることがおおい。f:AB単射たんしゃinjectionであることは f(x)=f(y)x=y であり、その対偶たいぐうxyf(x)f(y) である。

data/lecture/math/discrete-math/injections-surjections-and-bijections.lecture.n.md

3背理法はいりほうproof by contradiction

背理法はいりほうproof by contradictionは、結論けつろん否定ひてい仮定かていして矛盾むじゅんみちび方法ほうほうである。

つぎれいは、後続こうぞく半順序関係はんじゅんじょかんけいpartial order先取さきどりである。ここでは、半順序集合はんじゅんじょしゅうごうpartially ordered set全体理論ぜんたいりろん使つかわず、必要ひつよう仮定かていだけを明示めいじして使つかう。すなわち、最大元さいだいげんgreatest elementとは任意にんいxPたいして x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]aたすげん a であり、反対称性はんたいしょうせいantisymmetryとは a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]b かつ b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]a なら a=b となる性質せいしつである。

たとえば「最大元さいだいげん存在そんざいすれば、それは一意いちいである」をしめす。結論けつろん否定ひていし、半順序集合はんじゅんじょしゅうごうpartially ordered set Pことなる最大元さいだいげん ab、すなわち ab があると仮定かていする。最大元さいだいげん定義ていぎより、a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]b かつ b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]a である。反対称性はんたいしょうせいantisymmetryより a=b となり、ab矛盾むじゅんする。したがってことなる 2 つの最大元さいだいげん存在そんざいしない。

背理法はいりほうproof by contradictionでは、結論けつろん否定ひてい仮定かていし、既知きち定義ていぎ仮定かてい両立りょうりつしない矛盾むじゅんみちびく。結論けつろんそのものを仮定かていしてしまうと証明しょうめいにならない。

data/lecture/math/discrete-math/partial-and-total-orders.lecture.n.md

4場合分ばあいわproof by cases

場合分ばあいわproof by casesは、対象たいしょう有限ゆうげんかたかれるときに使つかう。集合演算しゅうごうえんざんでは、げんがどの集合しゅうごうぞくするかで場合分ばあいわけすることがおおい。

つぎれい後続こうぞく集合演算しゅうごうえんざん先取さきどりする。ABA または Bぞくするげん集合しゅうごうAB両方りょうほうぞくするげん集合しゅうごうむ。

たとえば

A(BC)=(AB)(AC)

しめす。左辺さへん任意にんいげん x をとると xA かつ xBC である。xB場合ばあいxABxB場合ばあいxC なので xAC となり、どちらも右辺うへんぞくする。ぎゃく右辺うへんx は、xAB または xAC のどちらの場合ばあいxA かつ xBC である。したがって両辺りょうへんひとしい。

5反例はんれいcounterexample

反例はんれいcounterexampleは、全称ぜんしょう命題めいだい否定ひていするための 1 つのれいである。

「すべての整数せいすう n について n2>n」という主張しゅちょうである。n=1整数せいすうだが、12=1 なので 12>1たさない。この 1 つのれい全称命題ぜんしょうめいだい否定ひていできる。

反例はんれいでは、対象たいしょう定義ていぎ条件じょうけんたしていることと、結論けつろんこわれていることを両方りょうほう明示めいじする必要ひつようがある。

反例はんれいcounterexampleは、仮定かていをすべてたしながら結論けつろんやぶ具体例ぐたいれいでなければならない。仮定かていたさないれいは、主張しゅちょう失敗しっぱいしめさない。

6演習えんしゅうリンクとまとめ

data/exercise/math/discrete-math/logic-and-proof-methods.exercise.n.md

証明しょうめいproofでは、定義ていぎひらき、必要ひつよう量化りょうか明確めいかくにし、どのかた議論ぎろん使つかうかをえらぶ。反例はんれいcounterexampleは「成立せいりつしない」ことをしめ強力きょうりょく方法ほうほうだが、反例はんれい条件じょうけん確認かくにん省略しょうりゃくしてはいけない。

演習えんしゅうでは、直接証明ちょくせつしょうめい対偶たいぐうcontrapositive背理法はいりほうproof by contradiction場合分ばあいわproof by cases反例はんれいcounterexampleのどれを使つかっているかを明示めいじすると、仮定かてい結論けつろん対応たいおういやすい。

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