Strategi Pembuktian. Finding proofs can be a challenging business

Transkripsi

1 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.

2 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.

3 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. A1: rs/2 = t 2 /4 A2: (r 2 +s 2 ) = t 2. A3: rs/2 = (r 2 +s 2 )/4 A4: (r 2-2rs+s 2 ) = 0 A5: (r-s) 2 = 0. B2: r-s = 0 B1: r = s B: Segitiga RST sama kaki. r s t

4 Proses Maju & Mundur (3) 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 =2rs; sehingga (r-s) = 0. Maka segitiga RST samakaki.

5 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 B1: (x+y) 2 /4 > xy B2: (x+y) 2 > 4xy B3: x 2 +2xy+y 2 > 4xy B4: x 2-2xy+y 2 > 0 B5: (x-y) 2 > 0 B6: x y. Bukti. Karena x dan y berbeda maka (x-y) 2 > 0. Ini berarti x 2 +2xy+y 2 > 4xy. Sehingga, (x+y) 2 > 4xy yang memberikan (x+y)/2 > x y.

6 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.

7 The Stone Game - Proses Mundur Pemain 1 Pemain 2 0 1, 2, 3 4 5, 6, 7 8 9, 10, , 14, 15

8 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.

9 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=6k+j, j {0,1,2,3,4,5}. Krn n tidak habis dibagi oleh 2 atau 3 maka n=6k+1 atau n=6k+5. Jadi ada 2 kasus yg perlu diperhatikan.

10 Bukti Kasus per Kasus (2) 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 + 3y 2 =8. Solusi. Karena x 2 > 8 bila x 3 dan 3y 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 3y 2 = 0 atau 3. Jadi nilai maksimum dari x 2 +3y 2 = 7. Dengan demikian tidak ada x dan y bulat yang memenuhi x 2 +3y 2 =8.

11 Conjecture 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.

12 Memformulasikan Conjecture Perhatikan berikut ini: = 15 = = 31 prima = 63 = = 255 = = 80 = 8 10 Kita tahu bhw x n 1 = (x-1)(x n-1 +x n x + 1) Namun, faktorisasi ini bermasalah bila x=2. Conjecture. Bilangan a n -1 komposit bila a > 2 atau bila a=2 dan n komposit.

13 Membuktikan Conjecture Bukti. Kasus i) Bila a > 2 maka (a-1) adalah faktor dari a n -1 karena a n 1 = (a-1)(a n-1 +a n a + 1) dan 1 < (a-1) < (a n -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) s + 1). Jadi 2 n 1 komposit. Jadi conjecture menjadi teorema.

14 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) = 41 2 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.

15 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= = Counter-example juga ditemukan untuk n=4, tetapi belum ada untuk n>5.

16 Beberapa conjecture terkenal 1. Fermat s Last Theorem Persamaan x n + y n = z n tidak mempunyai solusi bulat x, y, dan z dengan xyz 0 dan n > 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 The Twin Prime Conjecture 4. The 3x+1 Conjecture (Collatz problem, Hasse s algorithm, Ulam s problem, Syracuse problem, Kakutani s problem).