Кіріспе

Математикада дәлелденген мәлімдеме. Математикада теорема – дәлелденген немесе дәлелдеуге болатын мәлімдеме. Теореманың дәлелі – теореманың аксиомалардың және бұрын дәлелденген теоремалардың логикалық салдары екенін көрсету үшін дедуктивті жүйенің қорытынды шығару ережелерін пайдаланатын логикалық аргумент. Математиканың бағытталған ағынында аксиомалар мен қорытынды шығару ережелері көбінесе айтылмайды, және олардың көпшілігі Zermelo–Fraenkel жиын теориясының таңдау аксиомасымен (ZFC) немесе Пеано арифметикасы сияқты нашар күшті теориямен бірге келеді. Әдетте, теорема деп аталатын нақтылама басқа белгілі теоремалардың тікелей салдары емес, дәлелденген нәтиже болып табылады. Сонымен қатар, көптеген авторлар ең маңызды нәтижелерді ғана теорема деп атайды, ал лемма, пропозиция және королляр терминдерін нашар маңызды теоремалар үшін қолданады. Математикалық логикада теоремалар мен дәлелдемелер ұғымдары олар туралы математикалық ойлауға мүмкіндік беру үшін формализацияланды. Осы контексте мәлімдемелер белгілі бір формальді тілдің дұрыс құрылған формулаларына айналады. Теория аксиомалар деп аталатын негізгі мәлімдемелерден және қорытынды шығару ережелерінен тұрады (кейде аксиомалардың құрамына кіреді). Теорияның теоремалары – қорытынды шығару ережелерін қолдану арқылы аксиомалардан туындайтын мәлімдемелер. Бұл формализация теоремалар мен дәлелдемелер туралы жалпы теоремаларды дәлелдеуге мүмкіндік беретін дәлелдеу теориясына әкелді. Атап айтқанда, Гёдельдің толық еместік теоремалары табиғи сандарды қамтитын әрбір дәйекті теорияда теорияның теоремалары емес (яғни теория ішінде дәлелдеуге болмайтын) табиғи сандар туралы нақты мәлімдемелер бар екенін көрсетеді. Аксиомалар көбінесе физикалық әлемнің қасиеттерінің абстракциясы болғандықтан, теоремалар белгілі бір шындықты білдіретін болып саналады, бірақ ғылыми заң ұғымына қарағанда, ол тәжірибелік, теореманың шындығын дәлелдеу таза дедуктивті болып табылады.

Теоремалық және шындық

19-ғасырдың соңына дейін және математиканың негізгі дағдарысына дейін барлық математикалық теориялар өзін-өзі айқын деп санайтын бірнеше негізгі қасиеттерге негізделген; мысалы, әрбір табиғи санның ізбасары болады және екі берілген әртүрлі нүктеден өтетін тек бір түзу бар. Осы негізгі қасиеттер, абсолютті айқын деп есептелген, постулаттар немесе аксиомалар деп аталды; мысалы, Евклид постулаттары. Барлық теоремалар осы негізгі қасиеттерді ашық немесе жасырын түрде пайдаланып дәлелденді және осы қасиеттердің сенімділігіне байланысты, дәлелдеуде қателік болмаса, дәлелденген теорема нақты шындық деп есептелді. Мысалы, үшбұрыштың ішкі бұрыштарының қосындысы 180°-қа тең, және бұл күмәнсіз факт саналды. Математиканың негізгі дағдарысының бір қыры – Евклидтік емес геометриялардың ашылуы болды, олар ешқандай қайшылыққа алып келмейді, бірақ мұндай геометрияларда үшбұрыштың бұрыштарының қосындысы 180°-дан өзгеше болады. Демек, "үшбұрыштың бұрыштарының қосындысы 180°-ға тең" қасиетінің дұрыстығы немесе бұрыстығы Евклидтің бесінші постулатын қабылдауға немесе жоққа шығаруға байланысты. Сол сияқты, жиындардың "айқын" негізгі қасиеттерін пайдалану Расселдің парадоксына әкеледі. Бұл мәселе жиындарды өңдеуге рұқсат етілген ережелерді жасау арқылы шешілді. Бұл дағдарыс математиканың негізін қайта қарастыру арқылы, оларды қатаңдату арқылы шешілді. Осы жаңа негіздерде теорема – теорияның аксиомалары мен логикалық қорытынды ережелерінен шығарылатын, жақсы құрылған математикалық формула. Осылайша, үшбұрыштың бұрыштарының қосындысы туралы жоғарыдағы теорема мынадай болады: Евклид геометриясының аксиомалары мен логикалық қорытынды ережелеріне сәйкес, үшбұрыштың ішкі бұрыштарының қосындысы 180°-қа тең. Сол сияқты, Расселдің парадоксы да жоғалады, өйткені аксиоматикалық жиын теориясында барлық жиындар жиынын жақсы құрылған формуламен көрсету мүмкін емес. Нақтырақ айтқанда, егер барлық жиындар жиынын жақсы құрылған формуламен көрсетуге болады, онда теория қайшылыққа толы болады және әрбір жақсы құрылған тұжырым, сондай-ақ оның жоқтығы да теорема болып табылады. Осы жағдайда теореманың дұрыстығы тек оның дәлелінің дұрыстығына байланысты. Бұл шындыққа немесе тіпті аксиомалардың маңыздылығына тәуелді емес. Бұл аксиомалардың маңыздылығы ешқандай қызығушылық тудырмайды дегенді білдірмейді, тек теореманың дұрыстығы аксиомалардың маңыздылығынан тәуелсіз. Бұл тәуелсіздік математиканың кейбір салаларының нәтижелерін көрінетіндей байланыссыз салаларда қолдануға мүмкіндік береді. Математика туралы осы ойлау тәсілінің маңызды салдары – математикалық теориялар мен теоремаларды математикалық объектілер ретінде анықтауға және олар туралы теоремаларды дәлелдеуге мүмкіндік беруі. Мысалы, Гёдельдің толық еместік теоремаларын келтіруге болады. Әсіресе, қоршаған теорияның теоремасы емес екені дәлелденген жақсы құрылған тұжырымдар бар, бірақ олар кең теорияда дәлелденуі мүмкін. Мысалы, Гудштейн теоремасын келтіруге болады, ол Пеано арифметикасында тұжырымдалған, бірақ Пеано арифметикасында дәлелдеуге болмайды. Алайда, ол кейбір жалпы теорияларда, мысалы, Зермело-Франкель жиын теориясында дәлелденеді.

Эпистемологиялық ойлар

Көптеген математикалық теоремалар шартты мәлімдемелер болып табылады, олардың дәлелдемелері гипотезалар немесе алғышарттар деп аталатын шарттардан қорытындылар шығарады. Дәлелді шындықты негіздеу ретінде қарастырғанда, қорытынды көбінесе гипотезалардың қажетті салдары ретінде қарастырылады. Яғни, гипотезалар шын болса, қорытынды да шын болады – ешқандай қосымша болжамдарсыз. Дегенмен, шартты белгілі бір дедуктивтік жүйелерде әртүрлі түсіндірілуі мүмкін, бұл туындыру ережелеріне және шартты белгіге берілген мағыналарға байланысты (мысалы, классикалық емес логика). Теоремаларды толық символдық түрде жазуға болады (мысалы, есептеу логикасындағы ұсыныстар ретінде), бірақ олар көбінесе жақсы оқылуы үшін ағылшын тілі сияқты табиғи тілде бейресми түрде баяндалады. Дәлелдемелерге де осы қатысты, олар көбінесе логикалық тұрғыдан ұйымдастырылған және анық формулировкаланған бейресми аргументтер түрінде беріледі, олар оқырмандарды теореманың дұрыстығына кез келген күмәнсіз сендіруге және одан формалды символдық дәлелді принцип бойынша құруға мүмкіндік береді. Жақсы оқылуға қоса, бейресми аргументтерді таза символдық аргументтерге қарағанда тексеру оңай. Шын мәнінде, көптеген математиктер теореманың жарамдылығын ғана емес, сонымен қатар оның неге анық екенін түсіндіретін дәлелге басымдық береді. Кейбір жағдайларда, теореманы дәлел ретінде сурет арқылы көрсетуге болады. Теоремалар математиканың негізгі құрамы болғандықтан, олар оның эстетикасы үшін де маңызды. Теоремалар көбінесе «тривиальды», «қиын», «терең» немесе тіпті «әдемі» деп сипатталады. Бұл субъективті бағалаулар ғана емес, сонымен қатар уақыт пен мәдениетке байланысты өзгереді: мысалы, дәлел табылып, оңайлатылса немесе жақсы түсінілсе, бір кезде қиын болған теорема тривиальдыға айналуы мүмкін. Екінші жағынан, терең теорема қарапайым түрде айтылуы мүмкін, бірақ оның дәлелі математиканың әртүрлі салалары арасындағы күтпесіз және нәзік байланыстарды қамтуы мүмкін. Ферманың соңғы теоремасы – мұндай теореманың ерекше танымал мысалы.

Теоремалардың бейресми түсіндірмесі

Логикалық тұрғыдан алғанда, көптеген теоремалар шартты түрде келесіше болады: егер A болса, онда B. Мұндай теорема B туралы мәлімдемейді – тек қана A-ның нәтижесінде B қажетті түрде туындайтынын көрсетеді. Бұл жағдайда A теореманың гипотезасы деп аталады («гипотеза» мұнда болжамнан мүлдем өзгеше мағына береді), ал B – теореманың қорытындысы. Екеуі бірге (дәлелсіз) теореманың ұсынысы немесе мәлімдемесі деп аталады (мысалы, «Егер A болса, онда B» – ұсыныс). A және B сәйкесінше алғышарт және соңғышарт деп те аталуы мүмкін. «Егер n – жұп табиғи сан болса, онда n/2 – табиғи сан» теоремасы – гипотезасы «n – жұп табиғи сан» және қорытындысы «n/2 де табиғи сан» болатын классикалық мысал. Теореманы дәлелдеу үшін, оны принцип бойынша нақты, формальды түрде тұжырымдауға болады. Дегенмен, теоремалар көбінесе толық символдық формада емес, табиғи тілде беріледі, формальды тұжырымдама бейресми тұжырымдамадан шығарылуы мүмкін деген ескертумен. Математикада белгілі бір тілдегі бірнеше гипотезаларды таңдап, теория осы гипотезалардан дәлелденетін барлық мәлімдемелерден тұрады деп жариялау қалыпты жағдай. Бұл гипотезалар теорияның негізгі құрылымын құрайды және аксиомалар немесе постулаттар деп аталады. Дәлелдеу теориясы деп аталатын математика саласы формальды тілдерді, аксиомаларды және дәлелдердің құрылымын зерттейді. Кейбір теоремалар «тривиальды» болып саналады, себебі олар анықтамалар, аксиомалар және басқа теоремалардан айқын түрде туындайды және жаңа түсініктер бермейді. Ал кейбіреулерін «терең» деп атауға болады, өйткені олардың дәлелдері ұзақ және қиын болуы мүмкін, теореманың өзінен сырттай ерекшеленетін математика салаларын қамтиды немесе математиканың әртүрлі салалары арасындағы күтпеген байланыстарды көрсетеді. Теорема тұжырымдауға қарапайым болғанымен, терең болуы мүмкін. Ферманың соңғы теоремасы – керемет мысал. Көптеген математикалық теоремаларды, соның ішінде полиномдық теңдіктерді, тригонометриялық теңдіктерді және гипергеометриялық теңдіктерді қарапайым есептеулерге келтіруге болады.

Тарих

Жыл сайын ширек миллионнан астам теорема дәлелденетіні есептеледі. "Математик – кофеден теорема жасауға арналған құрал" деген танымал афоризм, әдетте Альфред Рениге жатқызылады, бірақ оны көбінесе Ренидің әріптесі Пол Эрдосқа (мүмкін, Рени Эрдосты ойлап отырған шығар) есептейді, ол көптеген теоремаларымен, ынтымақтастықтарының санымен және кофе ішу әдетімен танымал болған. Кейбір мамандар шекті жай топтардың жіктелуі теореманың ең ұзақ дәлелі деп санайды. Ол 500-ге жуық автордың 500 мақаласында ондаған мың беттерді құрайды. Бұл мақалалардың бірлесіп толық дәлел беретініне сенімділік бар, сондай-ақ бірнеше жоба осы дәлелді қысқартуға және жеңілдетуге бағытталған. Осыған ұқсас тағы бір теорема – төрт түс теоремасы, оның компьютерлік дәлелі адам оқуға тым ұзын. Бұл теореманың мәлімдемесін қарапайым адам да оңай түсіне алатын, ең ұзын дәлелдерінің бірі болып саналады.

Синтаксис және семантика

Формальдық теорема ұғымы түбінен синтаксистік болып табылады, ал шынайы мәлімдеме ұғымы семантиканы енгізеді. Әртүрлі дедукциялық жүйелер туындыру ережелерінің болжамдарына байланысты (яғни сенімге, негіздемеге немесе басқа модальдықтарға) әртүрлі интерпретацияларды бере алады. Формальдық жүйенің саяқтығы оның барлық теоремаларының жарамды болуына байланысты. Жарамдылық – кез келген мүмкін интерпретацияда дұрыс болатын формула (мысалы, классикалық есептік логикада жарамдылықтар таутологиялар болып табылады). Формальдық жүйе семантикалық тұрғыдан толық деп есептеледі, егер оның барлық теоремалары таутологиялар болса.