Metristen struktuurien malliteoria

Koko: px
Aloita esitys sivulta:

Download "Metristen struktuurien malliteoria"

Transkriptio

1 Metristen struktuurien malliteoria Toni-Petri Tiilikainen Syksy Pro gradu -tutkielma. Helsingin yliopisto, Matematiikan ja tilastotieteen laitos.

2 1 Johdanto Kaikki tulokset ja käsitteet tässä paperissa ovat suurimmalta osin peräisin lähteestä [1] ellei toisin mainita. Moniarvologiikka on saanut alkunsa ja 1930-luvuilla jolloin puolalainen Jan Šukasiewicz esitteli ajatuksen logiikoista joilla on muitakin totuusarvoja kuin vain "tosi"ja "epätosi". Alunperin Šukasiewicz esitteli kolmiarvologiikan jolla oli totuusarvot "tosi"(true), "epätosi"(false) ja "tuntematon"(unknown). Myöhemmin mukaan on tullut ajatus moniarvologiikasta jolla on ääretön määrä totuusarvoja. Tässä tutkielmassa käsittelemämme "reaaliarvoinen logiikka"on juuri moniarvologiikka jolla on ääretön määrä totuusarvoja. Reaaliarvoisen propositiologiikan semantiikka eroaa normaalista ensimmäisen kertaluvun versiostaan siten, että pelkkien 0 ja 1 totuusarvojen sijasta sallimme kaikki reaaliarvot väliltä [0, 1]. Periaatteessa voisimme sallia minkä tahansa muunkin kompaktin reaalivälin, mutta koska väli [0, 1] on selvästi intuitiivisin valinta eikä logiikan rakenne oleellisesti myöskään muuttuisi, on vaikea nähdä miksi haluaisimme tehdä näin. On syytä ymmärtää, että laajentamalla totuusarvoja välille [0, 1] emme pyri esittämään todennäköisyyttä jolla väite on tosi, vaikka tämä vaikuttaisi jollain tavalla intuitiiviselta. Sen sijaan tarkoituksenamme on antaa formaali tapa kertoa kuinka totta jokin esitetty väite on. Eli esimerkiksi voimme antaa jonkinlaisen selityksen Sorites-paradoksille välttämällä täsmällisen määritelmän paradoksin hiekkakasalle ja sanomalla kuinka paljon hiekanjyvät muistuttavat hiekkakasaa. 2 Peruskäsitteitä ja tuloksia Käymme tässä luvussa alustavasti läpi muutamia yksinkertaisia käsitteitä ja tuloksia, jotka oletamme tunnetuiksi tulevaisuudessa. Sanomme, että metrinen avaruus (M, d) on rajoitettu jos on olemassa reaaliluku R, jolla d(x, y) R kaikilla x, y M. Avaruuden (M, d) läpimitta on pienin R jolla edellä mainittu pätee. Olkoon (M i, d i ) metrisiä avaruuksia, kun i = 1,..., n, ja M = M 1... M n. Tulevaisuudessa avaruuden M metriikkana käytetään aina maksimi metriikkaa eli, kun x = x 1,..., x n ja y = y 1,..., y n, niin d(x, y) = max{d i (x i, y i ) i = 1,..., n}. Määritelmä 2.1. Jos (M, d) ja (M, d ) ovat metrisiä avaruuksia ja f : M 1

3 M on mikä tahansa funktio. Sanomme, että : (0, 1] (0, 1] on jatkuvuusmoduli funktiolle f jos kaikilla ε (0, 1] ja kaikilla x, y M pätee d(x, y) < (ε) d (f(x), f(y)) ε. Sanomme, että f on tasaisesti jatkuva jos sillä on jatkuvuusmoduli. Määritelmä 2.2. Sanomme, että kokoelmalla F P(X) on äärellinen leikkaus ominaisuus tai lyhyesti ÄLO, jos A kaikilla äärellisillä A, joilla A F. Lause 2.1. Topologiselle avaruudelle X seuraavat ehdot ovat yhtäpitäviä i) X on kompakti. ii) Jos F on kokoelma X:n suljettuja joukkoja ja jos F :llä on ÄLO, niin F. Todistus. i) ii) Tehdään vastaoletus F = ja oletukset pätevät. De Morganin lakien nojalla ( F ) c = F c = X jolloin kompaktiudesta seuraa, että on olemassa X:n äärellinen avoin peite A c, missä A F. Tiedämme, että A c = ( A) c = X ja siis A =, josta tulee ristiriita koska oletuksen mukaan A kaikilla A. Tästä seuraa, että vastaoletus on väärin ja väite on tosi. ii) i) Jos F =, niin oletuksista seuraa, että on olemassa äärellinen A jolla A = ja A F. Tarkastelemalla komplementteja samankaltaisesti kuten edellä havaitsemme, että F c on X:n avoin peite ja A c on X:n äärellinen osapeite. Erityisesti siis X on kompakti. Määritelmä 2.3. Joukon I ultraltteri D on sellainen joukko I:n osajoukkoja, että (U1) / D. (U2) Jos A, B I, A B ja A D, niin B D. (U3) Jos A, B D, niin A B D. (U4) Jos A I, niin A D tai I \ A D. 2

4 Esitämme seuraavassa lauseessa muutamia hyvin yksinkertaisia ultraltterien ominaisuuksia. Lause 2.2. Seuraavat väitteet pätevät kaikille I:n ultralttereille D. i) Jos A I, niin A / D tai I \ A / D. ii) Jos A k D kaikilla k, niin A 1... A n D. iii) Jos A 1... A n D, niin A k D jollain k. iv) Olkoon F :llä ÄLO. Tällöin F on ultraltteri joss kaikilla A I pätee joko A F tai A c F. v) Jos A D ja B A niin B D. Todistus. i) Ilmeinen seuraus ehdoistasta U1 ja U3. ii) Seuraa helposti ehdosta U3. iii) Olkoon A = A 1... A n D eli A c = A c 1... A c n / D. Nyt kohdan ii) nojalla A c k / D jollain k. Eli ehdon U4 nojalla A k D. iv) " "Seuraa suoraan määritelmästä. " "Olkoon joukoilla F ÄLO ja kaikilla A I pätee joko A F tai A c F. (U1): Selvästi / F. (U2): Olkoon A, B I, A B ja A F. Nyt B F koska muutoin B c F, joka olisi ristiriidassa ÄLO:n kanssa. (U3): Olkoon A, B F. Jos A B / F, niin (A B) c F jolloin (A B) c A B =, joka on ristiriita ÄLO:n kanssa. (U4): Seuraa suoraan oletuksista. Eli siis F on ultraltteri. v) Seuraa suoraan ehdoista U3, U4 ja U1. 3 Metriset struktuurit ja aakkostot Olkoon (M, d) täydellinen ja rajoitettu metrinen avaruus. Voisimme rakentaa metriset struktuurit myös useamman metrisen avaruuden varaan, mutta tämä aiheuttaisi paljon merkinnällistä raskautta. Tulemme tästä huolimatta käyttämään viimeisessä luvussa Hilbertin avaruuksien esimerkissä metrisen struktuurin määritelmää, jossa on käytetty useita metrisiä avaruuksia. 3

5 Määritelmä 3.1. Metrinen struktuuri M, jonka perustana on (M, d), koostuu seuraavista: (1) Perheestä predikaatteja (R i i I), jotka ovat tasaisesti jatkuvia funktioita joukolta M n jollekin kompaktille reaalivälille. (2) Perheestä funktioita (F j j J), jotka ovat tasaisesti jatkuvia funktioita joukolta M n joukolle M. (3) Perheestä M:n alkioita (a k k K). Merkitsemme tällaista metristä struktuuria usein M = (M, R i, F j, a k i I, j J, k K). Mitkä tahansa indeksijoukoista I, J, K saavat olla tyhjiä. Tulemme yksinkertaisuuden nimissä käyttämään predikaattien arvojoukkona väliä [0, 1], mutta annamme määritelmän yleisemmässä muodossa korostaaksemme mahdollisuutta valita muutoin. Yhdistämme jokaiseen metriseen struktuuriin M aakkoston L. Määrittelemme tämän aakkoston seuraavasti. Jokaiseen M:n predikaattiin R assosioimme predikaattisymbolin P ja kokonaisluvun #(P ) joka on R:n paikkaluku; käytämme R:lle merkintää P M. Samoin jokaiselle funktiolle F assioimme funktiosymbolin f paikkaluvun #(f); käytämme F :lle merkintää f M. Lopuksi jokaiselle merkitsevälle M:n alkiolle a assosioimme vakiosymbolin c ja käytämme a:sta merkintää c M. Eli aakkosto L antaa joukkoja predikaatti-, funktio- ja vakiosymboleja, ja kertoo paikkaluvun predikaatti- ja funktiosymboleille aivan kuten ensimmäisen kertaluvun logiikassa. Tämän lisäksi metristen struktuurien aakkoston L on annettava jokaiselle predikaattisymbolille P rajoitettu suljettu väli reaalilukuja I P ja jatkuvuusmoduli P. Näiden tarkoitus on antaa arvojoukko ja jatkuvuusmoduli P M :lle. Samoin jokaiselle funktiosymbolille L:n täytyy antaa f, joka on jatkuvuusmoduli funktiolle f M. Viimeisenä L:n on annettava ei-negatiivinen reaaliluku D L, joka on metrisen avaruuden (M, d) läpimitta (useamman metrisen avaruuden tapauksessa jokaisella näistä on oma läpimittansa). Joskus merkitsemme M:stä saatavaa metriikkaa d samalla tavoin kuin ei-loogisia symboleja L:ssä, eli d M. Tästä eteenpäin yksinkertaistaaksemme merkintöjä oletamme, että D L = 1 kaikille predikaateille P. On syytä havaita, että tämä estää metriikan d M arvojen olevan välin [0, 1] ulkopuolelta ja siten emme joudu erikseen rajoittamaan käytettyä metriikkaa. 4

6 Määritelmä 3.2. Olkoon L-aakkosto ja olkoon M ja N L-struktuureja. Upotus on metrisen avaruuden isometria eli etäisyydet säilyttävä kuvaus T : (M, d M ) (N, d N ), joka kommutoi funktio- ja predikaattisymboleiden tulkinnoiden välillä seuraavalla tavalla: Jos f on n-paikkainen L:n funktiosymboli ja a 1,..., a n M, niin f N (T (a 1 ),..., T (a n )) = T (f M (a 1,..., a n )). Jos P on n-paikkainen L:n predikaattisymboli ja a 1,..., a n M, niin P N (T (a 1 ),..., T (a n )) = P M (a 1,..., a n ). Jos c on L:n vakiosymboli, niin c N = T (c M ). Sanomme surjektiivista upotusta isomorsmiksi. Jos on olemassa isomor- smi M:n ja N :n välillä, niin merkitsemme M = N ja sanomme, että M ja N ovat isomorset. M:n automorsmi on isomorsmi M:ltä itselleen. M on N :n alistruktuuri jota merkitsemme M N, jos M N ja inkluusiokuvaus M:ltä N:lle on upotus M:ltä N :lle. 4 Kaavat ja niiden tulkinnat Kiinnitetään aakkosto L edellisessä kappaleessa esitetyllä tavalla. Käydään alkuun läpi L:n symbolit. Ei-loogiset symbolit koostuvat L:n predikaatti-, funktio- ja vakiosymboleista. L:n loogiset symbolit ovat kaikki symbolit, jotka eivät kuulu ei-loogisiin. Loogisiksi symboleiksi luemme symbolin d, jota formaalisti käsitellään kuten 2-paikkaista predikaattisymbolia. Tämän lisäksi luemme loogisiksi symboleiksi numeroituvasti äärettömän joukon muuttujia V L, kaikki jatkuvat funktiot u : [0, 1] n [0, 1], joissa on äärellinen n 1 määrä muuttujia (nämä toimivat konnektiiveina), ja symbolit sup ja inf, jotka toimivat kvanttoreina. L:n kardinaali, jota merkitsemme card(l), on pienin ääretön kardinaali joka on suurempi tai yhtä kuin L:n ei-loogisten symbolien määrä. Määritelmä 4.1. L-termit muodostetaan induktiivisesti kuten ensimäisen kertaluvun logiikassakin. Jokainen muuttujasymboli ja vakiosymboli on L- termi. Jos f on n-paikkainen funktiosymboli ja t 1,..., t n ovat L-termejä, niin f(t 1,..., t n ) on L-termi. 5

7 Määritelmä 4.2. L-atomikaavat ovat joko muotoa P (t 1,..., t n ) olevia lausekkeita, missä P on n-paikkainen predikaatisymboli ja t 1,..., t n ovat L-termejä, tai d(t 1, t 2 ), missä t 1 ja t 2 ovat L-termejä. Formaalisti käsittelemme d:tä kuten 2-paikkaista predikaattisymbolia. Kaavat määrittelemme myös induktiivisesti. Konnektiiveina toimivat jatkuvat funktiot ja sup ja inf ovat formaalisti ensimmäisen kertaluvun logiikan kvanttorien asemassa. Määritelmä 4.3. L-kaavojen luokka on pienin mahdollinen luokka joka täyttää seuraavat ehdot: (1) Atomikaavat ovat L-kaavoja. (2) Jos u : [0, 1] n [0, 1] on jatkuva ja ϕ 1,..., ϕ n ovat L-kaavoja, niin u(ϕ 1,..., ϕ n ) on L-kaava. (3) Jos ϕ on L-kaava ja x on muuttuja, niin sup x ϕ ja inf x ϕ ovat L-kaavoja. Määritelmä 4.4. L-kaava on kvanttorivapaa jos se ei sisällä alikaavoja inf x eikä sup x. Muuttujan x esiintymä kaavassa on sidottu, jos se on muotoa sup x ϕ tai inf x ϕ olevan alikaavan alla. Muussa tapauksessa muuttujan esiintymä on vapaa. L-kaava on L-lause jos sillä ei ole yhtään vapaata muuttujaa. Esistruktuurit Tässä käyttämämme käsite pseudometriikka poikkeaa metriikasta siinä, että se sallii tilanteet d(x, y) = 0, kun x y. Ideatasolla pseudometriikasta saadaan metriikka yksinkertaisesti samaistamalla x y kun d(x, y) = 0. Kiinnitetään metrisen struktuurin aakkosto L ja olkoon (M 0, d 0 ) pseudometrinen avaruus, jonka läpimitta on D L. L-esistruktuuri M 0 on (M 0, d 0 ):a pohjana käyttävä struktuuri, joka koostuu seuraavista tiedoista: (1) Jokaiselle L:n (n-paikkaiselle) predikaattisymbolille P funktio P M 0 : M n 0 I P, jonka jatkuvuusmoduli on P. (2) Jokaiselle L:n (n-paikkaiselle) funktiosymbolille f funktio f M 0 : M n 0 M 0, jonka jatkuvuusmoduli on f. 6

8 (3) Jokaiselle L:n vakiosymbolille c alkio c M 0 M 0. Voimme myös muodostaa tekijäesistruktuurin, kun L-esistruktuuri M 0 on annettu. Olkoon (M, d) metrinen tekijäavaruus, jonka indusoi (M 0, d 0 ) kuvauksella π : M 0 M. Tällöin (1) Määritellään P M : M n I P asettamalla P M (π(x 1 ),..., π(x n )) = P M 0 (x 1,..., x n ) kaikilla x 1,..., x n M 0, jokaiselle L:n (n-paikkaiselle) predikaattisymbolille P. (2) Määritellään f M : M n M asettamalla f M (π(x 1 ),..., π(x n )) = π(f M 0 (x 1,..., x n )) kaikilla x 1,..., x n M 0, jokaiselle L:n (n-paikkaiselle) funktiosymbolille P. (3) Määritellään c M = π(c M 0 ) jokaiselle L:n vakiosymboleille c. Lyhyen tarkastelun jälkeen voidaan havaita, että tämä määrittelee L- esistruktuurin mahdollisesti ei-täydellisellä metrisellä avaruudella (M, d). Nyt voimme määritellä L-struktuurin N ottamalla täydellistymä M:stä. Tämän pohjana käytetään täydellistä metristä avaruutta (N, d), joka on täydellisymä avaruudesta (M, d). N :n muu rakenne määritellään seuraavalla luonnollisella tavalla (jonka mahdollistaa M:n predikaattien ja funktioiden tasainen jatkuvuus): (1) Määritellään jokaiselle L:n (n-paikkaiselle) predikaattisymbolille P funktio P N : N n I P olemaan se yksikäsitteinen kuvaus, joka laajentaa P M :ä ja on jatkuva. (2) Määritellään jokaiselle L:n (n-paikkaiselle) funktiosymbolille f funktio f N : N n N, joka laajentaa f M :ä ja on jatkuva. (3) Määritellään jokaiselle L:n vakiosymbolille c c N = c M. (N, d) läpimitta ja jatkuvuusmodulit ovat samat kuin (M 0, d 0 ):lla (perustelut tälle seuraavat metristen avaruuksien ja tasaisen jatkuvuuden peruskäsitteistä ja ne sivuutetaan, mutta löytyvät lähteestä [1] sivuilta 7-12). Toisin sanoen N on L-struktuuri. 7

9 Semantiikka Olkoon M L-esistruktuuri ja A M:n osajoukko. Merkinnällä L(A) tarkoitamme aakkoston L laajennusta vakiosymboleilla c(a) jokaisella a A. Samalla laajennamme M:n tulkintoja kanonisella tavalla asettamalla c(a) tulkinnaksi alkion a itsensä jokaisella a A. Annamme seuraavaksi määrittelmän metristen struktuurien semantiikalle. Olkoon t(x 1,..., x n ) L(M)-termi. Nyt, aivan kuten ensimmäisen kertaluvun logiikassa, tulkinta t:lle M:ssä on funktio t M : M n M. Määrittelemme arvon jokaiselle L(M)-lauseelle σ M:ssä. Tämä arvo on reaaliluku väliltä [0, 1] ja merkitsemme sitä σ M. Määritelmä on luonnollisesti induktiolla kaavoista. On huomattava, että määritelmässä kaikki termit ovat L(M)-termejä joissa ei ole yhtään muuttujia. Määritelmä 4.5. (1) (d(t 1, t 2 )) M = d M (t M 1, t M 2 ) mille tahansa t 1, t 2 ; (2) (P (t 1,..., t n )) M = P M (t M 1,..., t M n ) kaikille n-paikkaisille predikaattisymboleille P L ja kaikille t 1,..., t n ; (3) (u(σ 1,..., σ n )) M = u(σ M 1,..., σ M n ) kaikilla jatkuvilla u : [0, 1] n [0, 1] ja L(M)-lauseilla σ 1,..., σ n ; (4) (sup x ϕ(x)) M on supremum välillä [0, 1] joukosta {ϕ(a) M a M} millä tahansa L(M)-kaavalla ϕ(x); (5) (inf x ϕ(x)) M on inmum välillä [0, 1] joukosta {ϕ(a) M a M} millä tahansa L(M)-kaavalla ϕ(x). Määritelmä 4.6. Kun L(M)-kaava ϕ(x 1,..., x n ) on annettu merkitsemme ϕ M :lla funktiota joukolta M n joukolle [0, 1], jonka määrittelee Looginen ekvivalenssi ϕ M (a 1,..., a n ) = (ϕ(a 1,..., a n )) M. Määritelmä 4.7. Kaksi L-kaavaa ϕ(x 1,..., x n ) ja ψ(x 1,..., x n ) ovat loogisesti ekvivalentit jos ϕ M (a 1,..., a n ) = ψ M (a 1,..., a n ) kaikilla L-struktuureilla ja kaikilla a 1,..., a n M. 8

10 Vastaavasti kahden L-kaavan ϕ(x 1,..., x n ) ja ψ(x 1,..., x n ) välinen looginen etäisyys määritellään ottamalla supremum yli kaikkien a 1,..., a n M kaavasta ϕ M (a 1,..., a n ) ψ M (a 1,..., a n ) missä M on mikä tahansa L-struktuuri. Määritelmä 4.8. L-väite E on formaalin kielen lauseke, joka on muotoa ϕ = 0, missä ϕ on L-kaava. E on suljettu jos ϕ on lause. Jos x 1,..., x n ovat eri muuttujia, niin esittelemme L-väitteen muodossa E(x 1,..., x n ) ilmaistaksemme, että se on muotoa ϕ(x 1,..., x n ) = 0 (Toisin sanoen E:n vapaat muuttujat ovat x 1,..., x n joukossa). Jos E on L(M)-väite, ϕ(x 1,..., x n ) = 0 ja a 1,..., a n M, niin sanomme, että E on totta vakioilla a 1,..., a n M ja merkitsemme M = E[a 1,..., a n ] jos ϕ M (a 1,..., a n ) = 0. Määritelmä 4.9. Olkoon E i L-väite ϕ i (x 1,..., x n ) = 0, missä i = 1, 2. Sanomme, että E 1 ja E 2 ovat loogisesti ekvivalentteja jos kaikilla L-struktuureilla M ja kaikilla a 1,..., a n pätee M = E 1 [a 1,..., a n ] joss M = E 2 [a 1,..., a n ]. Huomautus On kätevää ottaa käyttöön lyhenne ϕ = ψ, jolla tarkoitamme väitettä ϕ ψ = 0, missä ϕ ja ψ ovat L-kaavoja. Nyt koska jokainen r [0, 1] on myös konnektiivi voimme käyttää väitteitä, jotka ovat muotoa ϕ = r. Samaten määrittelemme lyhenteet ϕ ψ ja ψ ϕ tarkoittamaan väitettä max(ϕ ψ, 0) = 0. Kuten edelle perusteltiin voimme nyt myös käyttää väitteitä ϕ r ja ϕ r. 5 Malliteoria Kiinnitetään aakkosto L metrisille struktuureille. Määritelmä 5.1. Aakkoston L teoria on joukko suljettuja L-väitteitä. Jos T on L:n teoria ja M on L-struktuuri, niin sanomme, että M on T :n malli 9

11 ja kirjoitamme M = T, jos M = E kaikilla L-väitteillä E T. Merkitsemme Mod L (T ) kaikkien T :n mallien L-struktuurien kokoelmaa. Jos L on asiayhteydestä selvä kirjoitamme lyhyesti M od(t ). Jos M on L-struktuuri, M:n teoria, jota merkitsemme Th(M), on suljettujen L-väitteiden joukko, jotka ovat totta M:ssä. Jos T on tällainen teoria niin kutsumme sitä täydelliseksi. Jos T on L-teoria ja E on suljettu L-väite niin sanomme, että E on T :n looginen seuraus ja merkitsemme T = E jos M = E kaikilla T :n malleilla M Määritelmä 5.2. Olkoon M ja N L-struktuureja. (1) Sanomme, että M ja N ovat elementaarisesti ekvivalentit, ja kirjoitamme M N, jos σ M = σ N kaikilla L-lauseilla σ. Vastaavasti tämä pätee, jos Th(M) = Th(N ). (2) Jos M N niin sanomme, että M on N :n elementaarinen alistruktuuri, ja kirjoitamme M N, jos ϕ M (a 1,..., a n ) = ϕ N (a 1,..., a n ) kun ϕ(x 1,..., x n ) on L-kaava ja a 1,..., a n M. Tällöin sanommme myös, että N on M:n elementaarinen laajennus. (3) Funktio F M:n osajoukolta N:lle on elementaarinen kuvaus M:ltä N :lle, jos ϕ M (a 1,..., a n ) = ϕ N (F (a 1 ),..., F (a n )), missä ϕ(x 1,..., x n ) on L-kaava ja a 1,..., a n ovat funktion F määrittelyjoukosta. (4) M:n elementaarinen upotus N :lle on elementaarinen kuvaus koko M:ltä N:lle. Lause 5.1. (Tarski-Vaught testi) Olkoon S mielivaltainen L-kaavojen joukko, joka on tiheä loogisen etäisyyden mielessä. Olkoon M, N L-struktuurit joilla M N. Tällöin seuraavat ehdot ovat yhtäpitäviä: (1) M N ; (2) Kaikilla S:n L-kaavoilla ϕ(x 1,..., x n, y) ja a 1,..., a n M, inf{ϕ N (a 1,..., a n, b) b N} = inf{ϕ N (a 1,..., a n, c) c M} 10

12 Todistus. Jos (1) pätee niin voimme päätellä (2):n kaikille L-kaavoille suoraan määritelmästä. Eli jos ϕ(x 1,..., x n, y) on mielivaltainen L-kaava ja a 1,..., a n A niin saamme (1):stä inf{ϕ N (a 1,..., a n, b) b N} = (inf y ϕ(a 1,..., a n, y)) N = (inf y ϕ(a 1,..., a n, y)) M = inf{ϕ M (a 1,..., a n, c) c M} = inf{ϕ N (a 1,..., a n, c) c M}. Toisen suunnan osoittamiseksi oletetaan (2) joukolle S, joka on tiheä L- kaavojen joukko loogisen etäisyyden mielessä. Todistetaan ensin, että (2) pätee kaikkien L-kaavojen joukolle. Olkoon ϕ(x 1,..., x n, y) mielivaltainen L- kaava. Kun ε > 0 on annettu, olkoon ψ(x 1,..., x n, y) S, joka approksimoi ϕ(x 1,..., x n, y) alle ε loogisella etäisyydellä. Olkoon a 1,..., a n M. Tällöin saamme inf{ϕ N (a 1,..., a n, b) b N} inf{ψ N (a 1,..., a n, b) b N} + ε = inf{ψ N (a 1,..., a n, c) c M} + ε inf{ϕ N (a 1,..., a n, c) c M} + 2ε Kun ε menee nollaan saamme tiedosta M N halutun yhtälön kaavalle ϕ(x 1,..., x n, y). Olettamalla, että (2) pätee kaikkien L-kaavojen joukolle. Nyt voimme todistaa ekvivalenssin ψ M (a 1,..., a n ) = ψ N (a 1,..., a n ) (kaikilla a 1,..., a n M) induktiolla ψ:n rakenteen suhteen käyttämällä (2):sta kattamaan tilanteet joissa ψ alkaa jommalla kummalla sup tai inf. 6 Ultratulot Tässä luvussa käytämme ensimmäisessä luvussa määriteltyjä topologisia käsitteitä, merkintöjä ja tuloksia ultralttereistä. Todistamme lisäksi muutamia tuloksia ultraltterien rajoista, joita tarvitsemme metristen struktuurien ultratulojen ja semantiikan yhdistämiseksi. 11

13 Määritelmä 6.1. Olkoon X topologinen avaruus ja olkoon (x i ) i I perhe sen alkioita. Jos D on I:n ultraltteri ja x X niin sanomme, että x on D-raja perheelle (x i ) i I jos kaikilla x:n ympäristöillä U pätee {i I x i U} D. Tällöin merkitsemme lim i,d x i = x. Jos ultraltteri D on asiayhteydestä selvä saatamme kutsua D-rajaa lyhyesti rajaksi. Käytämme seuraavassa lemmassa merkintää cl({x i i J}) topologisen avaruuden X osajoukon täydellistymästä. Lemma 6.1. Olkoon X topologinen avaruus ja (x i ) i I perhe sen alkioita. Tällöin x on D-raja perheelle (x i ) i I joss x J D cl({x i i J}). Todistus. x J D cl({x i i J}) joss kaikilla J D ja kaikilla x:n ympäristöillä U x X pätee {x i i J} U x joss joukoilla D W x on ÄLO, missä W x = {i I x i U x }, joss kaikki x:n ympäristöt kuuluvat D:hen joss x on D-raja. Lause 6.2. X on Hausdor avaruus joss jokaisella X:n perheellä (x i ) i I ja jokaisella I:n ultraltterillä D on olemassa korkeintaan yksi D-raja perheelle (x i ) i I. Todistus. " "Olkoon x D-raja perheelle (x i ) i I ja y x. Koska X on Hausdor niin on olemassa avoimet joukot U, V siten, että x U, y V ja U V =. Nyt tiedämme, että {i I x i U} D, mutta koska U V = niin ultraltterin määritelmän nojalla {i I x i V } / D, muutoin nimittäin D. Tästä seuraa, että y ei voi olla D-raja perheelle (x i ) i I. " "Oletetaan, että ultraltterien rajat ovat yksikäsitteisiä ja alkioilla x, y X ei ole erillisiä ympäristöjä. Tällöin x:n ja y:n ympäristöjen yhdisteiden perheellä U x U y on äärellinen leikkaus ominaisuus, joten lauseen 2.2 kohdan iv) nojalla on olemassa ultraltteri D U x U y. Tämä tarkoittaa, että x ja y ovat molemmat D-rajoja. Voidaan päätellä, että x = y koska oletuksen nojalla rajat ovat yksikäsitteisiä. Tämä osoittaa, että X on Hausdor. Lause 6.3. X on kompakti avaruus joss jokaisella X:n perheellä (x i ) i I ja jokaisella I:n ultraltterillä D on olemassa vähintään yksi D-raja perheelle (x i ) i I. 12

14 Todistus. " "Tehdään vasta-oletus: ultraltterillä D ei ole rajaa perheelle (x i ) i I. Vasta-oletuksesta seuraa, että jokaisella x X on ympäristö W x = {i I x i U x } / D. X:n kompaktisuuden nojalla voimme valita näistä ympäristöistä koostuvan äärellisen osapeitteen W x1... W xn = X. Nyt kuitenkin lauseesta 2.2 kohdasta iii) seuraa, että W xk D, jollain k, mikä on ristiriita. Eli ultraltterillä D on vähintään yksi raja. " "Lopuksi osoitamme vielä, että X on kompakti, jos jokaisella X:n perheellä (x i ) i I ja jokaisella I:n ultraltterillä D on olemassa vähintään yksi D-raja perheelle (x i ) i I. Olkoon F perhe X:n suljettuja joukkoja joilla on äärellinen leikkaus ominaisuus. Lauseen 2.1 nojalla riittää näyttää, että F. Valitaan ultraltteri D F, jonka voimme tehdä lauseen 2.2 kohdan iv) nojalla. Nyt tiedosta D:llä on raja seuraa F I D cl({x i i I}) kuten vaadittiin. Lemma 6.4. Olkoon X ja X topologisia avaruuksia ja F : X X jatkuva funktio. Jokaiselle X:n perheelle (x i ) i I ja mille tahansa I:n ultraltterille D pätee lim x i = x lim F (x i ) = F (x) i,d i,d missä ultraltterien rajat ovat vastaavasti X:stä ja X :sta. Todistus. Olkoon U X F (x):n ympäristö. F :n jatkuvuudesta seuraa, että F 1 (U) on avoin ja sisältää x:n. Jos x on perheen (x i ) i I D-raja, niin on olemassa A D siten, että kaikilla i A pätee x i F 1 (U) ja siten F (x i ) U. Lemma 6.5. Olkoon X suljettu ja rajoitettu reaaliväli. Olkoon S mielivaltainen joukko ja (F i i I) perhe funktioita joukosta S välille X. Tällöin mille tahansa I:n ultraltterille D pätee sup(lim F i (x)) lim(sup F i (x)), x i,d i,d x ja inf (lim F i(x)) lim(inf F x i,d i,d i(x)), x missä x S. Lisäksi kaikilla ε > 0 on olemassa S:n perheet (x i ) i I ja (y i ) i I joille pätee lim F i (x i ) + ε lim(sup F i (x)), i,d i,d x 13

15 ja lim F i (y i ) ε lim(inf F i,d i,d i(x)). x Todistus. Olkoon r i = sup x F i (x) jokaisella i I ja olkoon r = lim i,d r i. Olkoon jokaisella ε > 0 sellainen A(ε) D jolle pätee r ε < r i < r + ε kaikilla i A(ε). Näytämme ensin, että sup x lim i,d F i (x) r. Jokaisella i A(ε) ja x S saamme F i (x) r i r + ε. Nyt (F i (x)) i I :n D-raja on r + ε. Kun ε lähestyy nollaa saadaan haluttu epäyhtälö. Toisen sup väitteen todistamiseksi kiinnitetään ε > 0 ja valitaan x i S jokaisella i I siten, että r i F i (x i ) + ε/2. Tällöin r F i (x i ) + ε kun i A(ε/2). Ottamalla D-raja saadaan haluttu epäyhtälö. Inf väitteet menevät oleellisesti samalla tavalla. Metristen avaruuksien ultratulot Olkoon ((M i, d i ) i I) perhe rajoitettuja metriisiä avaruuksia, joiden kaikkien läpimitta on korkeintaan R. Olkoon D ultraltteri I:ssä. Määritellään funktio d karteesiselta tulolta i I M i siten, että d(x, y) = lim i,d d i (x i, y i ), missä x = (x i ) i I ja y = (y i ) i I. On helppoa havaita, että d on pseudometriikka avaruudelle i I M i. Määritellään x D y tarkoittamaan d(x, y) = 0, kun x, y i I M i. Tällöin D on ekvivalenssirelaatio ja voimme määritellä ( M i ) D = ( M i )/ D. i I i I i I M i:n pseudometriikka d indusoi metriikan tässä tekijäavaruudessa ja käytetään merkintää d tälle metriikalle. Määritelmä 6.2. Kutsutaan indusoidulla metriikalla d varustettua avaruutta ( i I M i) D perheen ((M i, d i ) i I) D-ultratuloksi. Merkitsemme ekvivalenssiluokkaa (x i ) i I i I M i D :n suhteen ((x i ) i I ) D. 14

16 Jos (M i, d i ) = (M, d) kaikilla i I, niin kutsumme avaruutta ( i I M i) D avaruuden M ultrapotenssiksi ja käytämme siitä merkintää (M) D. Tässä tapauksessa T (x) = ((x i ) i I ) D määrittämä kuvaus T : M (M) D, missä x i = x kaikilla i I, on isometrinen upotus. Kutsumme tätä M:n diagonaaliseksi upotukseksi (M) D :hen. Tapauksessa, jossa D-ultrapotenssi on kompaktista metrisestä avaruudesta (M, d), diagonaalinen upotus M:ltä (M) D :lle on surjektio. Itse asiassa, jos (x i ) i I M I ja x on perheen (x i ) i I D-raja, niin on helppo näyttää, että ((x i ) i I ) D = T (x). Erityisesti suljetun rajoitetun välin ultrapotenssi voidaan identioida kanonisesti itsensä kanssa. Koska vaadimme, että struktuurien pohjana on täydellinen metrinen avaruus, on hyödyllistä todeta, että jokainen ultratulo tällaisista avaruuksista on myös täydellinen. Lause 6.6. Olkoon ((M i, d i ) i I) perhe täydellisiä ja rajoitetuja metrisiä avaruuksia, joiden läpimitta on korkeintaan R. Olkoon D ultraltteri I:lle ja olkoon (M, d) avaruuksien ((M i, d i ) i I) D-ultratulo. Tällöin metrinen avaruus (M, d) on täydellinen. Todistus. Riittää siis näyttää, että kaikilla Cauchyn jonoilla on raja-arvo. Olkoon (x k ) k 1 Cauchyn jono (M, d):ssä. Cauchyn jonojen luonteesta johtuen yleisyys ei kärsi, kun oletamme, että kaikilla k 1 pätee d(x k, x k+1 ) < 2 k. Olkoon, jokaisella k 1, x k edustettu perheellä (x k i ) i I. Olkoon, jokaisella m 1, A m kaikkien i I joukko joille pätee d i (x k i, x k+1 i ) < 2 k kaikilla k = 1,..., m. Nyt joukko (A m ) m 1 muodostaa suppenevan ketjun, jonka kaikki jäsenet ovat D:ssä. Määritelemme nyt perheen (y i ) i I, joka tulee edustamaan jonon (x k ) k 1 raja-arvoa (M, d):ssä. Jos i / A 1, niin valitsemme y i mielivaltaiseksi alkioksi M i :stä. Jos i A m \ A m+1 jollain m 1, niin asetamme y i = x m+1 i. Jos i A m pätee kaikilla m 1, niin (x m i ) m 1 on Cauchyn jono täydellisessä metrisessä avaruudessa (M i, d i ) ja valitsemme sen raja-arvoksi y i. On helppoa näyttää, että jokaisella m 1 ja i A m saamme d(x m i, y i ) 2 m+1. Nyt ((y i ) i I ) D raja-arvo ultratulon (M, d) jonossa (x k ) k 1. Funktioiden ultratulot Olkoon ((M i, d i ) i I) perhe rajoitettuja metrisiä avaruuksia, joiden kaikkien läpimitta on korkeintaan R. Olkoon f i : Mi n M i tasaisesti jatkuva 15

17 funktio jokaisella i I ja kiinteällä n 1. Olkoon myös yksittäinen funktio : (0, 1] (0, 1] jatkuvuusmoduli kaikille funktioille f i. I:n ultraltterille D määrittelemme funktion ( i I f i ) D : ( i I M i ) n D ( i I M i) D seuraavasti. Jos jokaisella k = 1,..., n pätee (x k i ) i I i I M i määrittelemme ( i I f i ) D (((x 1 i ) i I ) D,..., ((x n i ) i I ) D ) = ((f i (x 1 i,..., x n i )) i I ) D. (1) Lause 6.7. Lauseke (1) määrittelee tasaisesti jatkuvan funktion, jolla on jatkuvuusmodulina. Todistus. Merkintöjen yksinkertaistamiseksi oletetaan, että n = 1. Kiinnitetään ε > 0. Oletetaan, että ((x i ) i I ) D ja ((y i ) i I ) D välinen etäisyys ultratulossa ( i I M i) D on pienempi kuin (ε). Selvästi on olemassa A D siten, että kaikilla i A pätee d i (x i, y i ) < (ε). Koska on jatkuvuusmoduli kaikille f i, niin pätee d i(f i (x i ), f i (y i )) ε kaikilla i A. Tästä seuraa, että (f(x i ) i I ) D ja (f(y i ) i I ) D välinen etäisyys ultratulossa ( i I M i) D on enintään ε. Tämä osoittaa, että ( i I f i) D on hyvinmääritelty ja sillä on jatkuvuusmodulina. L-struktuurien ultratulot Määritelmä 6.3. L-struktuurien perheen (M i i I) D-ultratulo on L- struktuuri M, joka määritellään seuraavasti: Perustana oleva metrinen avaruus M:lle saadaan metristen avaruuksien M i ultratulosta M = ( i I M i ) D. Jokaiselle L:n predikaattisymbolille P, P :n tulkinta M:ssä saadaan funktioiden ultratulosta P M = ( P M i ) D i I jossa M n kuvautuu välille [0, 1]. Jokaiselle funktiosymbolille f L:ssä, f:n tulkinta M:ssä saadaan funktioiden ultratulosta f M = ( i I f M i ) D 16

18 jossa M n kuvautuu M:lle. Jokaiselle vakiosymbolille c L:ssä, c:n tulkinta M:ssä saadaan seuraavasti c M = ((c M i ) i I ) D. Käsittelemme nyt lyhyesti miksi L-struktuurien D-ultratulo on hyvinmääritelty. Koska on olemassa luku R, joka on suurempi kuin minkään M i :n metrisen avaruuden (M i, d i ) läpimitta, niin voimme muodostaa näiden D- ultratulon. Jokaisella funktiosymbolilla f L, on kaikilla funktioilla f M i jatkuvuusmoduli f. Tästä seuraa, että funktioiden perheen D-ultratulo on hyvinmääritelty. Sama pätee predikaattisymboleille P L. Lisäksi kaikkien funktioiden P M i arvojoukko on [0, 1], jonka D-ultratulo voidaan määritellä joukolla [0, 1] itsellään. Täten (P M i i I):n D-ultratulo voidaan ajatella [0, 1] arvoisena funktiona M:lle. Lause 6.8. Olkoon (M i i I) perhe L-struktuureja. Olkoon D mikä tahansa I:n ultraltteri ja olkoon M perheen (M i i I) D-ultratulo. Olkoon ϕ(x 1,..., x n ) L-kaava. Jos a k = ((a k i ) i I ) D ovat alkioita M:ssä, missä k = 1,..., n, niin ϕ M (a 1,..., a n ) = lim i,d ϕ M i (a 1 i,..., a n i ). Todistus. Helppolla induktiolla termien rakenteen suhteen nähdään, että t(a 1,..., a n ) = t M (a 1,..., a n ) = (t(a 1 i,..., a n i ) i I ) D Todistetaan väite induktiolla ϕ:n rakenteen suhteen: 1 ϕ on atomikaava. Jos ϕ(a 1,..., a n ) = d(t 1 (a 1,..., a n ), t 2 (a 1,..., a n )) niin suoraan määritelmän nojalla d(t 1 (a 1,..., a n ), t 2 (a 1,..., a n )) = d M ((t 1 (a 1 i,..., a n i ) i I ) D, (t 2 (a 1 i,..., a n i ) i I ) D ) = lim i,d d M i (t 1 (a 1 i,..., a n i ), t 2 (a 1 i,..., a n i )). Jos ϕ = P (t 1 (a 1,..., a n ),..., t m (a 1,..., a n )) niin välin [0, 1] kompaktisuuden nojalla P M (t 1 (a 1,..., a n ),..., t m (a 1,..., a n )) = ( i I P M i (t 1 (a 1,..., a n ),..., t m (a 1,..., a n )) D = lim i,d P M i (t 1 (a 1 i,..., a n i ),..., t m (a 1 i,..., a n i )). 17

19 2 ϕ = u(ϕ 1,..., ϕ n ), missä ϕ 1,..., ϕ n ovat L-kaavoja. u(ϕ 1,..., ϕ n ) on jatkuvien funktioiden yhdisteenä jatkuva. Nyt lemman 6.4 ja induktio-oletuksen nojalla u(ϕ 1 (a 1,..., a n ),..., ϕ n (a 1,..., a n )) = lim i,d u(ϕ 1 (a 1 i,..., a n i ),..., ϕ n (a 1 i,..., a n i )). 3 ϕ(a 1,..., a n ) = sup x ψ((x, a 1,..., a n )) tai ϕ = inf x ψ(x, a 1,..., a n ), missä ψ on L-kaava. Toditetamme tapauksen kun ϕ = sup x ψ, toinen tapaus menee samoin. Lemmasta 6.5 saadaan lim i,d (sup x ψ(x, a 1 i,..., a n i )) sup x (lim i,d ψ(x, a 1 i,..., a n i )), koska induktio-oletuksen nojalla sup x (lim i,d ψ(x, a 1 i,..., a n i )) = sup x ψ(x, a 1,..., a n ) niin riittää näyttää mielivaltaisella ε > 0, että lim i,d (sup x ψ(x, a 1 i,..., a n i )) sup x ψ(x, a 1,..., a n ) + ε Lemmasta 6.5 seuraa, että löytyy x i M i, i I, joilla lim i,d (sup x ψ(x, a 1 i,..., a n i ))) lim i,d ψ(x i, a 1 i,..., a n i ) + ε sup x ψ(x, a 1,..., a n ) + ε. Korollaari 6.9. Jos M on L-struktuuri, jonka pohjana on (M, d) ja T : M (M) D on diagonaalinen upotus, niin T on M:n elementaarinen upotus (M) D :lle Todistus. Suoraan lauseesta Kompaktisuus Lause 7.1. (Kompaktisuuslause.) Olkoon T L-teoria ja olkoon K luokka L- struktuureja. Olkoon T äärellisesti toteutuva K:ssa. Tällöin on olemassa K:n struktuurien ultratulo, joka on T :n malli. 18

20 Todistus. Olkoon Λ T :n äärellisten osajoukkojen perhe. Olkoon λ Λ ja merkitään λ = {E 1,..., E n }. Oletuksen mukaan on olemassa L-struktuuri M λ K siten, että M λ = E i kaikilla i 1,..., n. Jokaisella E T, olkoon S(E) kaikkien λ Λ joukko siten, että E λ. Nyt joukkojen {S(E) E T } kokoelmalla on äärellinen leikkaus ominaisuus. Täten on olemassa ultraltteri D Λ:sta, joka sisältää kyseisen joukkojen kokoelman. Olkoon M = ( λ Λ M λ ) D. Huomataan, että jos λ S(E) niin M λ = E. Lauseesta 6.8 seuraa, että M = E kaikilla E T. Toisin sanoen ultratulo M struktuureista K:ssa on T :n malli. Monissa sovelluksissa on hyödyllistä huomioida, että kompaktisuuslause toimii, vaikka toteutuvuus olisi heikennetty approksimoiduksi versioksi. Määritelmä 7.1. Mille tahansa L-väitteiden joukolle Σ, Σ + väitteiden ϕ 1/n joukko, missä ϕ = 0 kuuluu Σ:an ja n 1. on kaikkien Korollaari 7.2. Olkoon T L-teoria ja K L-struktuurien luokka. Oletetaan, että T + on äärellisesti toteutuva K:ssa. Tällöin on olemassa K:n struktuurien ultratulo, joka on T :n malli. Todistus. Seuraa suoraan lauseesta 7.1, sillä T :llä ja T + :lla on samat mallit. Seuraava tulos on komapktisuuslauseen versio kaavoille. Sallimme siinä mielivaltaisen perheen (x j j J) mahdollisesti vapaita muuttujia. Määritelmä 7.2. Olkoon T L-teoria ja Σ(x j j J) joukko L-väitteitä. Sanomme, että Σ on ristiriidaton T :ssä, jos kaikilla äärellisillä Σ osajoukoilla F on olemassa T :n malli M ja alkiot a M siten, että kaikilla väitteillä E F pätee M = E[a]. (Tässä a on äärellinen jono alkioita, jotka sopivat vapaiksi muuttujiksi F :n väitteissä.) 19

21 Korollaari 7.3. Olkoon T L-teoria ja Σ(x j j J) joukko L-väitteitä, ja oletetaan, että Σ + on ristiriidaton T :ssä. Tällöin on olemassa T :n malli M ja M:n alkiot (a j j J) siten, että M = E[a j j J] kaikilla L-väitteillä E Σ. Todistus. Olkoon (c j j J) uusia vakioita ja käytetään L({c j j J}):ää aakkoston laajennuksena L:lle. Sovelletaan Kompaktisuuslausetta suljettujen L({c j j J})-väitteitteiden joukkoon T Σ + (c j j J). Kuten todettu edellisessä tuloksessa kaikki mikä pätee Σ:lle pätee myös Σ + :lle. 8 Konnektiivit Esitelemme nyt, mitä rajoituksia joudumme tekemään pystyäksemme ilmaisemaan kaiken haluamamme äärellisellä määrällä konnektiiveja, sekä erään riittävän konnektiivien joukon. Todistamme kyseisten konnektiivien riittävyyden Stone-Weierstrass teoreemaa mukaillen. Kyseisen teoreeman tuntevat arvaavatkin varmasti, että rajoitukseksi joudumme asettamaan "Voimme aproksimoida mielivaltaisen läheltä konnektiivia f". Toisin sanoen emme pysty ilmaisemaan tarkasti jokaista konnektiivia, mutta pystymme pääsemään lähelle loogisen etäisyyden mielessä ollaksemme tyytyväisiä. Määritelmä 8.1. Konnektiivien kokoelma on jono F = (F n n 1) missä F n on joukko muotoa f : [0, 1] n [0, 1] olevia konnektiiveja. Sanomme, että F on suljettu jos seuraavat ehdot pätevät: (1) Jokaisella n, F n sisältää projektion π n j : [0, 1] n [0, 1] koordinaattiin j kaikilla j = 1,..., n. (2) Jokaisella n ja m, jos u F n ja v 1,..., v n F m, niin funktio w F m, kun w(t) = u(v 1 (t),..., v n (t)) missä w : [0, 1] m [0, 1] ja t [0, 1] m. Merkitsemme F:n pienintä suljettua konnektiivien kokoelmaa F. Selvyyden vuoksi käytämme joukon A normaalista topolisesta sulkeumasta merkintää cl(a). 20

22 Määritelmä 8.2. Kokoelma F on täysi, jos F on tiheä kaikkien konnektiivien kokoelmassa. Tarkemmin sanoen, jos kaikilla ε > 0 ja jokaisella n- paikkaisella konnektiivilla f on olemassa konnektiivi g F n jolle pätee f(t 1,..., t n ) g(t 1,..., t n ) ε kaikilla (t 1,..., t n ) [0, 1] n. Määritelmä 8.3. Määritellään 2-paikkainen funktio : [0, 1] [0, 1] [0, 1] seuraavasti: { (x y) jos x y; (x, y) = 0 muulloin. Tästä eteenpäin tulemme merkitsemään x y sen sijaan, että merkitsisimme (x, y). Määritelmä 8.4. Olkoon F 0 = (F n n 1) missä F 1 = {0, 1, x/2}, jossa 0 ja 1 ovat yhden muuttujan vakiofunktioita, F 2 = { }, ja kaikki F n, n 3 ovat tyhjiä. Lemma 8.1. Seuraavat konnektiivit kuuluvat kokoelman F 0 sulkeumaan: i) min(t 1, t 2 ), ii) max(t 1, t 2 ), iii) t 1 t 2, iv) min(t 1 + t 2, 1), v) kaikki m2 n [0, 1], missä m, n N. Todistus. i) min(t 1, t 2 ) = t 1 (t 1 t 2 ): 1 Jos t 1 t 2 niin t 1 (t 1 t 2 ) = t 1 0 = t 1 = min(t 1, t 2 ). 2 Jos t 1 > t 2 niin t 1 (t 1 t 2 ) = t 1 (t 1 t 2 ) = t 1 t 1 + t 2 = t 2 = min(t 1, t 2 ). ii) max(t 1, t 2 ) = 1 (min(1 t 1, 1 t 2 )): 1 Jos t 1 t 2 niin 1 (min(1 t 1, 1 t 2 )) = 1 (1 t 2 ) = t 2 = max(t 1, t 2 ). 2 Jos t 1 > t 2 niin 1 (min(1 t 1, 1 t 2 )) = 1 (1 t 1 ) = t 1 = max(t 1, t 2 ). iii) t 1 t 2 = max(t 1 t 2, t 2 t 1 ): 1 Jos t 1 t 2 niin max(t 1 t 2, t 2 t 1 ) = t 2 t 1 = t 1 t 2. 2 Jos t 1 > t 2 niin max(t 1 t 2, t 2 t 1 ) = t 1 t 2 = t 1 t 2. 21

23 iv) min(t 1 + t 2, 1) = 1 ((1 t 1 ) t 2 ): 1 Jos t 1 +t 2 1 niin 1 ((1 t 1 ) t 2 ) = 1 ((1 t 1 ) t 2 ) = 1 1+t 1 +t 2 = t 1 + t 2 = min(t 1 + t 2, 1). 2 Jos t 1 + t 2 > 1 niin 1 ((1 t 1 ) t 2 ) = 1 0 = min(t 1 + t 2, 1). v) 1 2 n... 2 n = 1 (2 n m)(2 n ) = 1 (1 m2 n ) = m2 n, missä 2 n saadaan yhdistämällä funktioita x/2 ja 1. Lemma 8.2. Kaikilla erillisillä x, y D, joukko {(g(x), g(y)) g F 1 } sisältää kaikki parit (a, b) D 2, kun D on kaikkien m2 n [0, 1] joukko. Todistus. Käymme läpi vain tilanteen x < y, jos y < x vaihdamme vain x:n ja y:n keskenään ja saamme muutoin täysin identtisen konstruktion. Tarkastellaan ensin tilannetta jossa a b. Valitaan m N niin, että a < m(y x) pätee. Määritellään g : [0, 1] [0, 1] seuraavasti: g(t) = max(a m(t x), b). Nyt g F 1, jolle pätee g(x) = a ja g(y) = b. Mikäli a < b, käytämme arvoja 1 a ja 1 b, a:n ja b:n paikalla g:ssä, minkä jälkeen käytämme funktiota 1 g(t). Lause 8.3. (ks. [1, s. 33] ja [4]) Konnektiivien kokoelma F 0 on täysi. Todistus. Riittää siis näyttää, että F 0 :n avulla voidaan aproksimoida mielivaltaisen tarkasti mitä tahansa funktiota joukossa {f : [0, 1] n [0, 1] f on jatkuva}. Todistamme tämän kahdessa osassa. Olkoon jälleen D kaikkien m2 k [0, 1] joukko. Ongelmaksi muodostuu, että emme kykene valitsemaan tarkkoja arvoja aproksimoivalle funktiollemme suoraan D:n ulkopuolelta. Voimme kuitenkin kiertää tämän ongelman käyttämällä hyväksi tietoa siitä, että D on tiheä välillä [0, 1]. Kiinnitetämme ensimmäisenä jatkuvan funktion f : [0, 1] n [0, 1] ja mielivaltaisen ε > 0. Väite 1. Kiinteälle x D n on olemassa funktio g x F 0 jolle pätee g x (x) f(x) < ε ja g x (t) > f(t) ε (t [0, 1] n ). Aloitamme väitteen todistuksen konstruoimalla jatkuvan kuvauksen h y F 0 millä tahansa kiinteällä y D n, jolle pätevät ehdot h y (x) f(x) < ε ja h y (y) f(y) < ε. 22

24 Aiomme rakentaa funktion h y funktion u F 1 ja projektiofunktion π n i avulla siten, että h y (z) = u(π n i (z)), kun z [0, 1] n. Joudumme siis vielä näyttämään, että haluamamme ehdot täyttävä u todella on olemassa. Lemman 8.2 nojalla voimme rakentaa funktion u niin, että u(c) = a ja u(d) = b, millä tahansa a, b, c, d D kunhan c d. Nyt D:n tiheyden nojalla voimme valita vakiot a ja b siten, että a f(x) < ε ja b f(y) < ε Rakennamme funktion h y äskeisen tiedon perusteella seuraavasti: Jos y x niin h y (z) = u y (π n i (z)) missä u y (x i ) = a, u y (y i ) = b ja projektiofunktio π n i on valittu sellaiseksi, että x i y i. Jos y = x niin h y (z) = a(π n i (z)), missä a : [0, 1] [0, 1] on vakiofunktio. Selvästi h y F 0 ja täyttää halutut ehdot. Nyt tiedämme h y :n jatkuvaksi joten on olemassa y:n avoin ympäristö U y, jossa se täyttää ehdon h y (t) > f(t) ε t U y. Koska D n on tiheä joukossa [0, 1] n muodostavat edellä esitetyllä tavalla valitut U yi :t joukon [0, 1] n peitteen, kun i N. Joukon [0, 1] n kompaktisuudesta taas seuraa, että on olemassa äärellinen määrä pisteitä y 1, y 2,..., y m D n jotka muodostavat peitteen: Asetetaan nyt [0, 1] n U y1 U y2... U ym. g x = max(h y1, h y2,..., h ym ). On selvää, että g x toteutaa väitteessä 1 vaaditut rajoitukset f:n suhteen. Näemme myös, että g x on jatkuva sillä jokainen h yi on jatkuva. Lisäksi g x F 0 koska se on saatu projektiolla ja kuvausten yhdistämisellä F 0 :sta. Ongelmaksi jää, että emme tiedä funktioista h yi ovatko ne funktion f ylä- vai alapuolella. Emme siis voi valita kaikille h yi yhteisesti minimi- tai maksimi-funktiota. Tämän takia joudummekin vielä osoittamaan seuraavan väitteen. Väite 2. Funktiolle f on olemassa funktio h F 0 jolle pätee h(x) f(x) < ε x [0, 1] n. Olkoon g x kuten yllä. Koska funktio g x on jatkuva niin tiedämme, että on olemassa x:n ympäristö V x siten, että g x (t) < f(t) + ε t V x. 23

25 Jälleen koska [0, 1] n on kompakti tiedämme, että on olemassa äärellinen määrä pisteitä x 1, x 2,..., x k joille pätee Määritellään h seuraavasti [0, 1] n V x1 V x2... V xk. h = min(g x1, g x2,..., g xk ). Saimme siis väitteistä 1 ja 2 tulokset h(x) > f(x) ε ja h(x) < f(x) + ε kun x [0, 1] n. Erityisesti siis h(x) f(x) < ε, kun x [0, 1] n, joka todistaa väitteen ja sen seurauksena myös lauseen. Korollaari 8.4. Määritellään funktio Fϕ n+1 : [0, 1] n+1 [0, 1] siten, että Fϕ n+1 (x) = v(ϕ), missä v on mielivaltainen totuusjakauma ja ϕ on L-lause jossa esiintyy vain propositiosymbooleja p 0,..., p n. Kaikilla jatkuvilla f : [0, 1] n+1 [0, 1] ja kaikilla ε > 0 löytyy lause ϕ jossa esiintyy vain propositiosymbooleja p 0,..., p n ja konnektiiveja, x/2, 0, 1 siten, että kaikilla x [0, 1] n+1 pätee Fϕ n+1 (x) f(x) < ε. Todistus. Edellisen lauseen nojalla riittää näyttää, että kaikilla n N ja kaikilla h F 0 löytyy ϕ jossa esiintyy vain p 0,..., p n,, x/2, 0, 1 ja Fϕ n+1 = h. Induktiolla h:n rakenteen suhteen: 1 : ϕ = p 0 p 1 2 x/2: ϕ = p 0 /2 3 0: ϕ = 0p 0 4 1: ϕ = 1p 0 5 π n i : p i 6 u(x) = v(w 0 (x),..., w m (x)): Induktio-oletuksen nojalla löytyy L-lause ϕ i, i m, jolla w i = Fϕ n+1 i ja ψ siten, että v = F m+1 ψ. Nyt ϕ = ψ(ϕ 0 /p 0,..., ϕ m /p m ). 24

26 9 Mallien konstruointi Jos Λ on lineaarisesti järjestetty joukko, niin L-struktuurien Λ-ketju on perhe L-struktuureja (M λ λ Λ), joilla M λ M η missä λ < η. Jos tämä pätee voimme määritellä yhdisteen (M λ λ Λ) L-esistruktuuriksi ilmeisellä tavalla. (Huomataan, että kaikkien funktiosymbolien tai predikaattisymbolien S kaikilla tulkinnoilla S M λ on sama jatkuvuusmoduli S, minkä seurauksena myös yhdisteellä (S M λ λ Λ) on jatkuvuusmodulina S.) Tällä yhdisteellä on perustana metrinen avaruus, mutta se ei välttämättä ole täydellinen. Täydentämällä yhdisteen saamme L-struktuurin jota kutsumme ketjujen yhdisteeksi ja merkitsemme λ Λ M λ. Määritelmä 9.1. Struktuurien ketjua (M λ λ Λ) sanotaan elementaariseksi ketjuksi jos M λ M η kaikilla λ < η. Lause 9.1. Jos (M λ M λ λ Λ M λ. λ Λ) on elementaarinen ketju ja λ Λ, niin Todistus. Käytetään Tarski-Vaught testiä (Lause 5.1). Määritelmä 9.2. Olkoon Γ(x 1,..., x n ) joukko L-väitteitä ja olkoon M L- struktuuri. Sanomme, että Γ(x 1,..., x n ) on toteutuva M:ssä jos on olemassa M:n alkiot a 1,..., a n, joilla M = [a 1,..., a n ]. Määritelmä 9.3. Olkoon M L-struktuuri ja κ ääretön kardinaali. Sanomme, että M on κ-saturoitu jos seuraava pätee: Kun A M kardinaali on < κ ja Γ(x 1,..., x n ) on joukko L(A)-väitteitä, jos kaikki Γ:n äärelliset osajoukot ovat toteutuvia (M, a) a A :ssa, niin koko joukko Γ on toteutuva (M, a) a A :ssa. Määritelmä 9.4. Olkoon M L-struktuuri ja olkoon N tämän elementaari laajennus. Sanomme, että N on M:n suurennus jos sillä on seuraava ominaisuus: Kun A M ja Γ(x 1,..., x n ) on joukko L(A)-väitteitä, jos jokainen äärellinen Γ:n osajoukko on toteutuva struktuurissa (M, a) a A, niin tällöin koko joukko Γ on toteutuva struktuurissa (N, a) a A. 25

27 Lemma 9.2. Jokaisella L-struktuurilla on suurennus. Todistus. Olkoon M L-struktuuri ja J joukko, jonka kardinaali on suurempi tai yhtä kuin card(l(m)). Olkoon I kokoelma J:n osajoukkoja ja olkoon D I:n ultraltteri, joka sisältää kaikki joukot S j = {i I j i} kun j J. Tällainen ultraltteri on olemassa sillä tällä joukkojen kokoelmalla on ÄLO. Olkoon N M:n D-ultratulo, joka on elementaarinen laajennus M:n diagonaalisen kuvauksen kautta. Näytämme nyt, että N on M:n suurennus. Olkoon A M ja Γ(x 1,..., x n ) joukko L(A)-väitteitä, jossa Γ:n jokainen äärellinen osajoukko on toteutuva (M, a) a A. Olkoon α : J Γ surjektio. Kun i = {j 1,..., j m } I, olkoon (a 1 i,..., a n i ) mikä tahansa n-jono M:ltä joka toteuttaa Γ:n äärellisen osajoukon {α(j 1 ),..., α(j m )} struktuurissa (M, a) a A. Kaikilla k = 1,..., n joukko a k = ((a k i ) i I ) D. Lause 6.8 näyttää helposti, että (a 1,..., a n ) toteuttaa Γ:n struktuurissa (N, a) a A. Lause 9.3. Olkoon M L-struktuuri. Jokaisella äärettömällä kardinaalilla κ, M:llä on κ-saturoitu elementaarinen laajennus. Todistus. Voimme olettaa, että κ on säännöllinen kasvattamalla κ:aa. Konstruoimme induktiolla elementaarisen ketjun (M α α < κ) siten, että M 0 = M ja kaikilla α < κ, M α+1 on M α :n suurennus. (Raja-ordinaaleilla otamme yhdisteitä.) Olkoon N ketjun (M α α < κ) yhdiste. Lauseen 9.1 nojalla M α N kaikilla α < κ; erityisesti M N. Väitämme, että N on κ- saturoitu. Olkoon A kardinaalia < κ oleva N :n osajoukko. Koska κ on säännöllinen on olemassa α < κ siten, että A on M α :n osajoukko. N :n alkiot, jotka tarvitaan määritelmään 9.3, löytyvät M α+1 :stä. Määritelmä 9.5. Olkoon M L-struktuuri ja κ ääretön kardinaali. Sanomme, että M on vahvasti κ-homogeeninen jos seuraava pätee: Jos L(C) on L:n laajennus vakioilla, missä card(c) < κ, ja f, g : C M ovat kuvauksia joilla niin (M, f(c)) c C (M, g(c)) c C (M, f(c)) c C = (M, g(c))c C. On huomioitavaa, että isomorsmi (M, f(c)) c C (M, g(c)) c C on M:n automorsmi, jossa f(c) g(c) kaikilla c C. 26

28 Lause 9.4. Olkoon M L-struktuuri. Jokaisella äärettömällä kardinaalilla κ, mallilla M on κ-saturoitu elementaarinen laajennus N siten, että jokainen malli varustettuna L:n aliaakkostolla, joka voidaan laajentaa struktuuriksi N, on vahvasti κ-homogeeninen. Todistus. Voimme olettaan, että κ on säännöllinen kasvattamalla κ:aa jos tarvitsee. Kun on annettu L-struktuuri M, konstruoimme elementaarisen ketjun (M α α < κ), jonka yhdisteellä on halutut ominaisuudet. Olkoon M 0 = M; kaikilla α < κ, olkoon M α+1 elementaarinen laajennus M α :lle, joka on τ α -saturoitu, missä τ α on kardinaalia isompi kuin card(l) ja isompi kuin M α :n kardinaali; ota yhdisteet rajaordinaaleissa. Olkoon N yhdiste ketjusta (M α α < κ). Saamme lauseesta 9.1 M N. Samanlainen argumentti kuten lauseessa 9.3 näyttää, että N on κ-saturoitu. N :n vahva κ-homogeenisuus seuraa induktiivisesta argumentista, minkä seuraaja-askel perustuu seuraavaan helposti todistettuun faktaan: Oletetaan M N ja N on τ-saturoitu, missä τ on kardinaali, jolla pätee τ > card(l) ja τ > card(m). Olkoon C joukko uusia vakioita, joilla card(c) < τ. Olkoon f, g : C M kuvauksia joilla (M, f(c)) c C (M, g(c)) c C. Tällöin on olemassa elementaarinen upotus T : M N siten, että kaikilla c C, T (f(c)) = g(c). Lopulta, oletetaan L on L:n aliaakkosto. Kaikilla α < κ, M α+1 supistettuna L :ään on myös τ α -saturoitu. Tämän seurauksena samanlainen argumentti kuten yllä N :lle näyttää, että N supistettuna L :ään on vahvasti κ-homogeeninen. Määritelmä 9.6. Olkoon T L:n täydellinen teoria ja κ ääretön kardinaaliluku. κ-monsterimalli teorialle T on κ-saturoitu ja vahvasti κ-homogeeninen T :n malli. Lauseen 9.4 nojalla jokaisella täydellisellä teorialla on κ-monsterimalli kaikilla äärettömillä kardinaaleilla κ. Saamme myös teorialle T mallin U, joka on sekä itse että kaikki sen pienennykset L:n aliaakkostoon κ-monsterimalleja. 10 Kvanttorien eliminointi Olkoon L aakkosto ja T L-teoria. Todistukset kvanttorien eliminoinnin osalta pohjautuvat suurelta osin kirjassa Analysis and Logic[3] oleviin. 27

29 Määritelmä L-kaava ϕ(x 1,..., x n ) on approksimoitava T :ssä kvanttorivapailla kaavoilla jos kaikilla ε > 0 on olemassa kvanttorivapaa L-kaava ψ(x 1,..., x n ) siten, että jokaisella M = T ja kaikilla a 1,..., a n M pätee ϕ M (a 1,..., a n ) ψ M (a 1,..., a n ) ε. Lause Olkoon ϕ(x 1,..., x n ) L-kaava. Seuraavat ehdot ovat yhtäpitäviä. (1) ϕ on approksimoitava T :ssä kvanttorivapailla kaavoilla. (2) Kun on annettu T :n mallit M ja N, alistruktuurit M 0 M ja N 0 N, isomorsmi Φ : M 0 N 0 ja alkiot a 1,..., a n M 0, tällöin pätee ϕ M (a 1,..., a n ) = ϕ N (Φ(a 1 ),..., Φ(a n )). Lisäksi implikaatiossa (2) (1) riittää olettaa (2) vain kun M 0 ja N 0 ovat äärellisesti generoituja. Todistus. Olkoon M monsterimalli T :lle, ϕ( x) L-kaava, missä x M n, ja olkoon lisäksi ε > 0. Riittää löytää kvanttorivapaa kaava ψ( x) siten, että kaikilla ā M n pätee ψ(ā) ϕ(ā) ε. Nyt olkoon ψ i ( x), missä i < ω, lista kaikista kvanttorivapaista kaavoista. Olkoon ā M n mielivaltainen ja merkitään r i = ψ i (ā). Valitaan kasvava ja vähenevä jono rationaalilukuja q i (ā) = (qm(a)) i m<ω ja p i (ā) = (p i m(a)) m<ω siten, että lim qm(ā) i = lim p i m(ā) = r i. Olkoon r(ā) = ϕ(ā) ja q(ā) < r(ā) < p(ā), missä q(ā), p(ā) Q siten, että r(ā) q(ā) < ε/4 ja p(ā) r(ā) < ε/4. Havaitaan, että kaikilla b M n, jos kaikilla i, m pätee M = qm(ā) i ψ i ( b) p i m(ā) niin M = q(ā) ϕ( b) p(ā). Nyt löytyy äärellinen I a ja l a, k N siten, että jos kaikilla i I a M = ql i a (ā) 1/k ψ i ( b) p i l a (ā) + 1/k niin M = q(ā) ϕ( b) p(ā). Olkoon ψ a = i I a ql i(ā) ψ i( x) p i l (ā). Nyt tyyppi { i I a (ψ i (x) ql i(a)) (ψ i(x) p i l (a)) a M} ei toteudu M:ssä, joten koska M on ω-saturoitu sillä on äärellinen osatyyppi, joka ei toteudu M:ssä. Eli on olemassa a i, i < N < ω siten, että kaikilla b M löytyy i < N, jolla M = ψ ai (b). Etsitään ψ i kaikilla i I siten, että kaikilla b M n, jos ψ i ( b) qm(ā) i 1/k tai ψ i ( b) p i m(ā) + i/k niin ψ i( b) = 0 ja jos qm(ā) i ψ i ( b) p i m(ā) q(ā) + p(ā) q(ā) + p(ā) niin ψ i ( b) = ja erityisesti aina ψ i ( b). Tällainen ψ i 2 2 löytyy koska tiedämme konnektiivien kokoelman täydeksi. 28

30 Valitaan ψ = sup i<n ψ i. Näytetään seuraavaksi, että ψ( b) ϕ( b) ε. 1 ψ( b) ϕ( b) ε/2 Valitaan i < N siten, että b B(a i, δ ai ). Tällöin q(ā i ) ϕ( b) p(ā i ) ja ψ i( b) = q(ā i) + p(ā i ), josta väite seuraa. 2 2 ψ( b) ϕ( b) + ε/2 Tehdään vastaoletus: löytyy i < N siten, että ψ i ( b) > ϕ( b) + ε/2. ψ( r) 0. Siis kaikilla j I ai qm i aj (ā j ) 1/k aj ψ a j i ( b) p i m aj (ā j ) + 1/k aj, josta seuraa q(ā i ) ϕ( b) p(ā i ) koska ψ i( b) q(ā i) + p(ā i ) ϕ( b) + ε/2. 2 Tämä on ristiriita ja siis väite on todistettu. Määritelmä L-teoria T sallii kvanttorien eliminoinnin jos kaikki L kaavat ovat approksimoitavia T :ssä kvanttorivapailla kaavoilla. Huomautus (1) Olkoon T L-teoria ja olkoon L(C) L:n laajennus vakioilla. Jos T sallii kvanttorien eliminoinnin L:ssä, niin T sallii kvanttorien eliminoinnin L(C):ssä. (2) Olkoon T T teorioita aakkostossa L. Jos T sallii kvanttorien eliminoinnin L:ssä, niin T sallii kvanttorien eliminoinnin L:ssä. Lemma Olkoon T L-teoria ja jokainen rajoitettu L-kaava, joka on muotoa inf x ϕ, missä ϕ on kvanttorivapaa, on approksimoitava T :ssä kvanttorivapailla kaavoilla. Tällöin T sallii kvanttorien eliminoinnin. Todistus. Näytetään, että jokainen kaava T :ssä sallii kvanttorien eliminoinnin. Tehdään tämä induktiolla kaavojen rakenteen suhteen. 1 ϕ on atomikaava. ϕ voidaan valita sellaisenaan. 29

Insinöörimatematiikka A

Insinöörimatematiikka A Insinöörimatematiikka A Mika Hirvensalo mikhirve@utu.fi Matematiikan ja tilastotieteen laitos Turun yliopisto 2018 Mika Hirvensalo mikhirve@utu.fi Luentoruudut 3 1 of 23 Kertausta Määritelmä Predikaattilogiikan

Lisätiedot

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin FUNKTIONAALIANALYYSI, RATKAISUT 1 KEVÄT 211, (AP) 1. Ovatko seuraavat reaaliarvoiset funktiot p : R 3 R normeja? Ovatko ne seminormeja? ( x = (x 1, x 2, x 3 ) R 3 ) a) p(x) := x 2 1 + x 2 2 + x 2 3, b)

Lisätiedot

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS f ( n JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS n Harjoitusten 8 ratkaisut Topologiset vektoriavaruudet 2010 8.1. Olkoon P n = {f : K K p on enintään asteen n 1 polynomi} varustettuna

Lisätiedot

Kompaktisuus ja filtterit

Kompaktisuus ja filtterit Kompaktisuus ja filtterit Joukkoperheellä L on äärellinen leikkausominaisuus, mikäli jokaisella äärellisellä L L on voimassa L. Nähdään helposti, että perheellä L on äärellinen leikkausominaisuus ja L

Lisätiedot

8. Avoimen kuvauksen lause

8. Avoimen kuvauksen lause 116 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 8. Avoimen kuvauksen lause Palautamme aluksi mieleen Topologian kursseilta ehkä tutut perusasiat yleisestä avoimen kuvauksen käsitteestä. Määrittelemme ensin avoimen

Lisätiedot

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI. Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Matemaattis-luonnontieteellinen

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI. Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Matemaattis-luonnontieteellinen HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Faculty Laitos Institution Department Matemaattis-luonnontieteellinen Tekijä Författare Author Kalle

Lisätiedot

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 1. 0. Johdanto

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 1. 0. Johdanto FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 1. Johdanto Funktionaalianalyysissa tutkitaan muun muassa ääretönulotteisten vektoriavaruuksien, ja erityisesti täydellisten normiavaruuksien eli Banach avaruuksien ominaisuuksia.

Lisätiedot

7. Tasaisen rajoituksen periaate

7. Tasaisen rajoituksen periaate 18 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 7. Tasaisen rajoituksen periaate Täydellisyydestä puristetaan maksimaalinen hyöty seuraavan Bairen lauseen avulla. Bairen lause on keskeinen todistettaessa kahta funktionaalianalyysin

Lisätiedot

Logiikan kertausta. TIE303 Formaalit menetelmät, kevät Antti-Juhani Kaijanaho. Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos.

Logiikan kertausta. TIE303 Formaalit menetelmät, kevät Antti-Juhani Kaijanaho. Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos. TIE303 Formaalit menetelmät, kevät 2005 Logiikan kertausta Antti-Juhani Kaijanaho antkaij@mit.jyu.fi Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos TIE303 Formaalit mentetelmät, 2005-01-27 p. 1/17 Luento2Luentomoniste

Lisätiedot

d ) m d (I n ) = 2 d n d. Koska tämä pätee kaikilla

d ) m d (I n ) = 2 d n d. Koska tämä pätee kaikilla MAT21007 Mitta ja integraali Harjoitus 2 viikko 25.3-29.3 2019) Palauta mieleen: monisteen luku 0; Topologia I) avaruuden d euklidinen etäisyys, avoimet kuulat ja joukot. Ohjausta laskuharjoitusten tekoon:

Lisätiedot

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg) Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus 4 9.4.-23.4.200 Malliratkaisut (Sauli Lindberg). Näytä, että Lusinin lauseessa voidaan luopua oletuksesta m(a)

Lisätiedot

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n IV. TASAINEN SUPPENEMINEN IV.. Funktiojonon tasainen suppeneminen Olkoon A R joukko ja f n : A R funktio, n =, 2, 3,..., jolloin jokaisella x A muodostuu lukujono f x, f 2 x,.... Jos tämä jono suppenee

Lisätiedot

Predikaattilogiikan malli-teoreettinen semantiikka

Predikaattilogiikan malli-teoreettinen semantiikka Predikaattilogiikan malli-teoreettinen semantiikka February 4, 2013 Muistamme, että predikaattilogiikassa aakkosto L koostuu yksilövakioista c 0, c 1, c 2,... ja predikaattisymboleista P, R,... jne. Ekstensionaalisia

Lisätiedot

Tehtävä 1. Päättele resoluutiolla seuraavista klausuulijoukoista. a. 1 {p 3 } oletus. 4 {p 1, p 2, p 3 } oletus. 5 { p 1 } (1, 2) 7 (4, 6)

Tehtävä 1. Päättele resoluutiolla seuraavista klausuulijoukoista. a. 1 {p 3 } oletus. 4 {p 1, p 2, p 3 } oletus. 5 { p 1 } (1, 2) 7 (4, 6) Tehtävä 1 Päättele resoluutiolla seuraavista klausuulijoukoista. a. {{p 0 }, {p 1 }, { p 0, p 2 }, {p 1, p 2, p 3 }, { p 2, p 3 }, {p 3 }}, b. {{ p 0, p 2 }, {p 0, p 1 }, {{ p 1, p 2 }, { p 2 }}, c. {{p

Lisätiedot

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu. Analyysi Harjoituksia lukuihin 3 / Syksy 204. Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko { 2x A = x ]4, [. x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu. 2. Anna jokin ylä- ja alaraja joukoille { x( x) A = x ], [,

Lisätiedot

LUKU II HOMOLOGIA-ALGEBRAA. 1. Joukko-oppia

LUKU II HOMOLOGIA-ALGEBRAA. 1. Joukko-oppia LUKU II HOMOLOGIA-ALGEBRAA 1. Joukko-oppia Matematiikalle on tyypillistä erilaisten objektien tarkastelu. Tarkastelu kohdistuu objektien tai näiden muodostamien joukkojen välisiin suhteisiin, mutta objektien

Lisätiedot

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Johdatus logiikkaan I, syksy 2018 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotukset

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Johdatus logiikkaan I, syksy 2018 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotukset HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Johdatus logiikkaan I, syksy 2018 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotukset 1. Päättele resoluutiolla seuraavista klausuulijoukoista: (a) {{p 0 }, {p 1 }, { p 0, p 2 },

Lisätiedot

1 Supremum ja infimum

1 Supremum ja infimum Pekka Alestalo, 2018 Tämä moniste täydentää reaalilukuja ja jatkuvia reaalifunktioita koskevaa kalvosarjaa lähinnä perustelujen ja todistusten osalta. Suurin osa määritelmistä jms. on esitetty jo kalvoissa,

Lisätiedot

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4. (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N,

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4. (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N, Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4 (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N, i=1 A i = R 1, ja f : R 1 R 1 ei ole jatkuva. Lause

Lisätiedot

Topologisten avaruuksien metristyvyys. Toni Annala

Topologisten avaruuksien metristyvyys. Toni Annala Topologisten avaruuksien metristyvyys Toni Annala Sisältö 1 Johdanto 2 2 Topologiset avaruudet 3 3 Erotteluaksioomat 8 4 Metristyvät avaruudet 13 5 Metristyvyys 17 1 Luku 1 Johdanto Topologia on matematiikan

Lisätiedot

1 sup- ja inf-esimerkkejä

1 sup- ja inf-esimerkkejä Alla olevat kohdat (erityisesti todistukset) ovat lähinnä oheislukemista reaaliluvuista, mutta joihinkin niistä palataan myöhemmin kurssilla. 1 sup- ja inf-esimerkkejä Nollakohdan olemassaolo. Kaikki tuntevat

Lisätiedot

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS f ( n) JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS n Funktionaalianalyysi Ei harjoituksia 1.4.2015 Funktionaalista viihdettä pääsiäistauolle: viikolla 14 (ma 30.3., ti 31.3. ja ke 1.4.)

Lisätiedot

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1 FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 115 7. Tasaisen rajoituksen periaate Täydellisyydestä puristetaan maksimaalinen hyöty seuraavan Bairen lauseen avulla. Bairen lause on keskeinen todistettaessa kahta funktionaalianalyysin

Lisätiedot

Täydellisyysaksiooman kertaus

Täydellisyysaksiooman kertaus Täydellisyysaksiooman kertaus Luku M R on joukon A R yläraja, jos a M kaikille a A. Luku M R on joukon A R alaraja, jos a M kaikille a A. A on ylhäältä (vast. alhaalta) rajoitettu, jos sillä on jokin yläraja

Lisätiedot

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset MS-C350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Haroitukset 5, syksy 207. Oletetaan, että a > 0 a funktio u on yhtälön u a u = 0 ratkaisu. a Osoita, että funktio vx, t = u x, t toteuttaa yhtälön a v = 0. b Osoita,

Lisätiedot

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Johdatus matemaattiseen päättelyyn Johdatus matemaattiseen päättelyyn Maarit Järvenpää Oulun yliopisto Matemaattisten tieteiden laitos Syyslukukausi 2015 1 Merkintöjä 2 Todistamisesta 2 3 Joukko-oppia Tässä luvussa tarkastellaan joukko-opin

Lisätiedot

Harjoitusten 4 ratkaisut Topologiset vektoriavaruudet 2010

Harjoitusten 4 ratkaisut Topologiset vektoriavaruudet 2010 f ( n) JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS n Harjoitusten 4 ratkaisut Topologiset vektoriavaruudet 2010 4.1. Viime kerralta. Esimerkki lokaalikonveksin avaruuden osajoukosta, joka

Lisätiedot

Luonnollisen päättelyn luotettavuus

Luonnollisen päättelyn luotettavuus Luonnollisen päättelyn luotettavuus Luotettavuuden todistamiseksi määrittelemme täsmällisesti, milloin merkkijono on deduktio. Tässä ei ole sisällytetty päättelysääntöihin iteraatiosääntöä, koska sitä

Lisätiedot

Joukot metrisissä avaruuksissa

Joukot metrisissä avaruuksissa TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Saara Lahtinen Joukot metrisissä avaruuksissa Informaatiotieteiden yksikkö Matematiikka Elokuu 2013 Sisältö 1 Johdanto 1 2 Metriset avaruudet 1 2.1 Tarvittavia

Lisätiedot

Todistusmenetelmiä Miksi pitää todistaa?

Todistusmenetelmiä Miksi pitää todistaa? Todistusmenetelmiä Miksi pitää todistaa? LUKUTEORIA JA TO- DISTAMINEN, MAA11 Todistus on looginen päättelyketju, jossa oletuksista, määritelmistä, aksioomeista sekä aiemmin todistetuista tuloksista lähtien

Lisätiedot

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Tenttiin valmentavia harjoituksia Tenttiin valmentavia harjoituksia Alla olevissa harjoituksissa suluissa oleva sivunumero viittaa Juha Partasen kurssimonisteen siihen sivuun, jolta löytyy apua tehtävän ratkaisuun. Funktiot Harjoitus.

Lisätiedot

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π Matematiikan ja tilastotieteen laitos Funktionaalianalyysin peruskurssi Kevät 9) Harjoitus 7 Ratkaisuja Jussi Martin). E Hilbert avaruus L [, π]) ja gt) := t, t [, π]. Määrää funktion g Fourier kertoimet

Lisätiedot

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa Cantorin joukon suoristuvuus tasossa LuK-tutkielma Miika Savolainen 2380207 Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto Syksy 2016 Sisältö Johdanto 2 1 Cantorin joukon esittely 2 2 Suoristuvuus ja

Lisätiedot

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat Derivaattaluvut Dini derivaatat LuK-tutkielma Helmi Glumo 2434483 Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto Syksy 2016 Sisältö Johdanto 2 1 Taustaa 2 2 Määritelmät 4 3 Esimerkkejä lauseita 7 Lähdeluettelo

Lisätiedot

METRISTEN STRUKTUURIEN SCOTTIN LAUSEET

METRISTEN STRUKTUURIEN SCOTTIN LAUSEET PRO GRADU METRISTEN STRUKTUURIEN SCOTTIN LAUSEET Joni Puljujärvi 22. toukokuuta 2019 HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI Tiedekunta Fakultet Faculty Matemaattis-luonnontieteellinen

Lisätiedot

x > y : y < x x y : x < y tai x = y x y : x > y tai x = y.

x > y : y < x x y : x < y tai x = y x y : x > y tai x = y. ANALYYSIN TEORIA A Kaikki lauseet eivät ole muotoiltu samalla tavalla kuin luennolla. Ilmoita virheistä yms osoitteeseen mikko.kangasmaki@uta. (jos et ole varma, onko kyseessä virhe, niin ilmoita mieluummin).

Lisätiedot

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen! Matematiikan johdantokurssi Kertausharjoitustehtävien ratkaisuja/vastauksia/vihjeitä. Osoita todeksi logiikan lauseille seuraava: P Q (P Q). Ratkaisuohje. Väite tarkoittaa, että johdetut lauseet P Q ja

Lisätiedot

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1 Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS Huomautus. Analyysin yksi keskeisimmistä käsitteistä on jatkuvuus! Olkoon A R mielivaltainen joukko

Lisätiedot

Luku 5. Löwenheimin ja Skolemin lause. kompaktisuuslause. Tässä luvussa tutustumme tärkeimpiin täydellisyyslauseen (ja sen todistuksen) seurauksiin.

Luku 5. Löwenheimin ja Skolemin lause. kompaktisuuslause. Tässä luvussa tutustumme tärkeimpiin täydellisyyslauseen (ja sen todistuksen) seurauksiin. Luku 5 Löwenheimin ja Skolemin lause, kompaktisuuslause Tässä luvussa tutustumme tärkeimpiin täydellisyyslauseen (ja sen todistuksen) seurauksiin. Löwenheimin ja Skolemin lause Sanomme, että kaavajoukko

Lisätiedot

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen! Matematiikan johdantokurssi Kertausharjoitustehtävien ratkaisuja/vastauksia/vihjeitä. Osoita todeksi logiikan lauseille seuraava: P Q (P Q). Ratkaisuohje. Väite tarkoittaa, että johdetut lauseet P Q ja

Lisätiedot

Määritelmä 2.5. Lause 2.6.

Määritelmä 2.5. Lause 2.6. Määritelmä 2.5. Olkoon X joukko ja F joukko funktioita f : X R. Joukkoa F sanotaan pisteittäin rajoitetuksi, jos jokaiselle x X on olemassa sellainen C x R, että f x C x jokaiselle f F. Joukkoa F sanotaan

Lisätiedot

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle Olkoon X sisätuloavaruus ja Y X äärellisulotteinen aliavaruus. Tällöin on olemassa lineaarisesti riippumattomat vektorit y 1, y 2,..., yn, jotka

Lisätiedot

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012 KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012 RITVA HURRI-SYRJÄNEN 2. Kompleksitason topologiaa Kompleksianalyysi on kompleksiarvoisten kompleksimuuttujien funktioiden teoriaa. Tällä kurssilla käsittelemme vain

Lisätiedot

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f ) Injektio (1/3) Määritelmä Funktio f on injektio, joss f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f ) Seurauksia: Jatkuva injektio on siis aina joko aidosti kasvava tai aidosti vähenevä Injektiolla on enintään

Lisätiedot

Epästandardit reaaliluvut

Epästandardit reaaliluvut Kandidaatintutkielma Epästandardit reaaliluvut Janne Korhonen 11. tammikuuta 2007 Sisältö 1 Reaalilukujen epästandardimalli 5 1.1 Kompaktisuuslause........................ 5 1.2 Epästandardimallin olemassaolo.................

Lisätiedot

TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Mari Herranen. Ultratulo

TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Mari Herranen. Ultratulo TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Mari Herranen Ultratulo Informaatiotieteiden yksikkö Matematiikka Marraskuu 2015 Tampereen yliopisto Informaatiotieteiden yksikkö HERRANEN, MARI: Ultratulo Pro

Lisätiedot

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa.

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa. Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }? Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa. Vastaus 2. Vertaillaan

Lisätiedot

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }?

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }? Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }? Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }? Vastaus

Lisätiedot

Approbatur 3, demo 1, ratkaisut A sanoo: Vähintään yksi meistä on retku. Tehtävänä on päätellä, mitä tyyppiä A ja B ovat.

Approbatur 3, demo 1, ratkaisut A sanoo: Vähintään yksi meistä on retku. Tehtävänä on päätellä, mitä tyyppiä A ja B ovat. Approbatur 3, demo 1, ratkaisut 1.1. A sanoo: Vähintään yksi meistä on retku. Tehtävänä on päätellä, mitä tyyppiä A ja B ovat. Käydään kaikki vaihtoehdot läpi. Jos A on rehti, niin B on retku, koska muuten

Lisätiedot

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla. HY / Avoin ylioisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 05 Harjoitus 6 Ratkaisut palautettava viimeistään tiistaina.6.05 klo 6.5. Huom! Luennot ovat salissa CK maanantaista 5.6. lähtien. Kurssikoe on

Lisätiedot

Ratkaisu: Käytetään induktiota propositiolauseen A rakenteen suhteen. Alkuaskel. A = p i jollain i N. Koska v(p i ) = 1 kaikilla i N, saadaan

Ratkaisu: Käytetään induktiota propositiolauseen A rakenteen suhteen. Alkuaskel. A = p i jollain i N. Koska v(p i ) = 1 kaikilla i N, saadaan HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Johdatus logiikkaan I, syksy 2018 Harjoitus 2 Ratkaisuehdotukset 1. Olkoon totuusjakauma v sellainen että v(p i ) = 1 kaikilla i N ja A propositiolause, jossa

Lisätiedot

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Miten osoitetaan joukot samoiksi? Miten osoitetaan joukot samoiksi? Määritelmä 1 Joukot A ja B ovat samat, jos A B ja B A. Tällöin merkitään A = B. Kun todistetaan, että A = B, on päättelyssä kaksi vaihetta: (i) osoitetaan, että A B, ts.

Lisätiedot

Äärellisten mallien teoria

Äärellisten mallien teoria Äärellisten mallien teoria Harjoituksen 4 ratkaisut Tehtävä 1. Määritä suurin aste k, johon saakka kuvan verkot G ja G ovat osittaisesti isomorfisia: Ratkaisu 1. Huomataan aluksi, että G =4 G : Ehrenfeucht-Fraïssé

Lisätiedot

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13 Reaaliluvut Reaalilukujen joukko R. Täsmällinen konstruointi palautuu rationaalilukuihin, jossa eri mahdollisuuksia: - Dedekindin leikkaukset - rationaaliset Cauchy-jonot - desimaaliapproksimaatiot. Reaalilukujen

Lisätiedot

Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus

Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus 1. (5:7) Olkoon E normiavaruus, I = [0, 1] ja f, g : I E jatkuvia. Osoita, että yhtälön h(s, t) = (1 t)f(s) + tg(s) määrittelemä kuvaus h : I 2 E on

Lisätiedot

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus Pekka Alestalo, Jarmo Malinen Aalto-yliopisto, Matematiikan ja systeemianalyysin laitos 19.9.2016 Pekka Alestalo, Jarmo

Lisätiedot

= 5! 2 2!3! = = 10. Edelleen tästä joukosta voidaan valita kolme särmää yhteensä = 10! 3 3!7! = = 120

= 5! 2 2!3! = = 10. Edelleen tästä joukosta voidaan valita kolme särmää yhteensä = 10! 3 3!7! = = 120 Tehtävä 1 : 1 Merkitään jatkossa kirjaimella H kaikkien solmujoukon V sellaisten verkkojen kokoelmaa, joissa on tasan kolme särmää. a) Jokainen verkko G H toteuttaa väitteen E(G) [V]. Toisaalta jokainen

Lisätiedot

Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on

Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on Rekursio Funktio f : N R määritellään yleensä antamalla lauseke funktion arvolle f (n). Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on käyttää rekursiota: 1 (Alkuarvot) Ilmoitetaan funktion arvot

Lisätiedot

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina. Funktiot Tässä luvussa käsitellään reaaliakselin osajoukoissa määriteltyjä funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina. Avoin väli: ]a, b[ tai ]a, [ tai ],

Lisätiedot

Tasainen suppeneminen ja sen sovellukset

Tasainen suppeneminen ja sen sovellukset Tasainen suppeneminen ja sen sovellukset Tuomas Hentunen Matematiikan pro gradu tutkielma Kesäkuu 2014 Tiivistelmä: Tuomas Hentunen, Tasainen suppeneminen ja sen sovellukset (engl. Uniform convergence

Lisätiedot

Rekursio. Funktio f : N R määritellään yleensä antamalla lauseke funktion arvolle f (n). Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on

Rekursio. Funktio f : N R määritellään yleensä antamalla lauseke funktion arvolle f (n). Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on Rekursio Funktio f : N R määritellään yleensä antamalla lauseke funktion arvolle f (n). Vaihtoehtoinen tapa määritellä funktioita f : N R on käyttää rekursiota: Rekursio Funktio f : N R määritellään yleensä

Lisätiedot

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1 Analyysi III Jari Taskinen 28. syyskuuta 2002 Luku Sisältö Sarjat 2. Lukujonoista........................... 2.2 Rekursiivisesti määritellyt lukujonot.............. 8.3 Sarja ja sen suppenminen....................

Lisätiedot

Tehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan erilaisia todistustekniikoita. Luentokalvoista 11, sekä voi olla apua.

Tehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan erilaisia todistustekniikoita. Luentokalvoista 11, sekä voi olla apua. HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 2 Ratkaisuehdotuksia Tehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan erilaisia todistustekniikoita. Luentokalvoista 11, 15-17

Lisätiedot

Johdatus matematiikkaan

Johdatus matematiikkaan Johdatus matematiikkaan Luento 7 Mikko Salo 11.9.2017 Sisältö 1. Funktioista 2. Joukkojen mahtavuus Funktioista Lukiomatematiikassa on käsitelty reaalimuuttujan funktioita (polynomi / trigonometriset /

Lisätiedot

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista Matematiikan johdantokurssi, syksy 06 Harjoitus, ratkaisuista. Valitse seuraaville säännöille mahdollisimman laajat lähtöjoukot ja sopivat maalijoukot niin, että syntyy kahden muuttujan funktiot (ks. monisteen

Lisätiedot

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8 Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8 Tuntitehtävät 1-2 lasketaan alkuviikon harjoituksissa ja tuntitehtävät 5- loppuviikon harjoituksissa. Kotitehtävät 3-4 tarkastetaan loppuviikon

Lisätiedot

Yhtenäisyydestä. Johdanto. Lähipisteavaruus. Tuomas Korppi

Yhtenäisyydestä. Johdanto. Lähipisteavaruus. Tuomas Korppi Solmu 2/2012 1 Yhtenäisyydestä Tuomas Korppi Johdanto Tarkastellaan kuvassa 1 näkyviä verkkoa 1 ja R 2 :n (eli tason) osajoukkoa. Kuvan 2 verkko voidaan jakaa kolmeen osaan niin, että osien välillä ei

Lisätiedot

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I MS-A040 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I G. Gripenberg Aalto-yliopisto. maaliskuuta 05 G. Gripenberg (Aalto-yliopisto) MS-A040 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä. ym.,

Lisätiedot

1 sup- ja inf-esimerkkejä

1 sup- ja inf-esimerkkejä Alla olevat kohdat (erityisesti todistukset) ovat lähinnä oheislukemista reaaliluvuista, mutta joihinkin niistä palataan myöhemmin kurssilla. 1 sup- ja inf-esimerkkejä Kaarenpituus. Olkoon r: [a, b] R

Lisätiedot

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Osa 1: Joukko-oppi ja logiikka Riikka Kangaslampi 2017 Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto Kiitokset Nämä luentokalvot perustuvat Gustaf

Lisätiedot

TIEA241 Automaatit ja kieliopit, kevät 2011 (IV) Antti-Juhani Kaijanaho. 16. maaliskuuta 2011

TIEA241 Automaatit ja kieliopit, kevät 2011 (IV) Antti-Juhani Kaijanaho. 16. maaliskuuta 2011 TIEA241 Automaatit ja kieliopit, kevät 2011 (IV) Antti-Juhani Kaijanaho TIETOTEKNIIKAN LAITOS 16. maaliskuuta 2011 Sisällys Sisällys Väitelauseet lause (tai virke), joka sanoo jonkin asian pitävän paikkaansa

Lisätiedot

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I G. Gripenberg Aalto-yliopisto 30. syyskuuta 2015 G. Gripenberg (Aalto-yliopisto) MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, 30.

Lisätiedot

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi Matematiikan tukikurssi Kurssikerta 1 Määrittelyjoukoista Tarkastellaan funktiota, jonka määrittelevä yhtälö on f(x) = x. Jos funktion lähtöjoukoksi määrittelee vaikkapa suljetun välin [0, 1], on funktio

Lisätiedot

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara Kuvauksista ja relaatioista Jonna Makkonen Ilari Vallivaara 20. lokakuuta 2004 Sisältö 1 Esipuhe 2 2 Kuvauksista 3 3 Relaatioista 8 Lähdeluettelo 12 1 1 Esipuhe Joukot ja relaatiot ovat periaatteessa äärimmäisen

Lisätiedot

T Syksy 2004 Logiikka tietotekniikassa: perusteet Laskuharjoitus 7 (opetusmoniste, kappaleet )

T Syksy 2004 Logiikka tietotekniikassa: perusteet Laskuharjoitus 7 (opetusmoniste, kappaleet ) T-79144 Syksy 2004 Logiikka tietotekniikassa: perusteet Laskuharjoitus 7 (opetusmoniste, kappaleet 11-22) 26 29102004 1 Ilmaise seuraavat lauseet predikaattilogiikalla: a) Jokin porteista on viallinen

Lisätiedot

Ratkaisu: (i) Joukko A X on avoin jos kaikilla x A on olemassa r > 0 siten että B(x, r) A. Joukko B X on suljettu jos komplementti B c on avoin.

Ratkaisu: (i) Joukko A X on avoin jos kaikilla x A on olemassa r > 0 siten että B(x, r) A. Joukko B X on suljettu jos komplementti B c on avoin. Matematiikan ja tilastotieteen laitos Topologia I 1. kurssikoe 26.2.2013 Malliratkaisut ja tehtävien tarkastamiset Tehtävät 1 ja 2 Henrik Wirzenius Tehtävät 3 ja 4 Teemu Saksala Jos sinulla on kysyttävää

Lisätiedot

(2n 1) = n 2

(2n 1) = n 2 3.5 Induktiotodistus Induktiota käyttäen voidaan todistaa luonnollisia lukuja koskevia väitteitä, jotka ovat muotoa väite P (n) on totta kaikille n =0, 1, 2,... Tässä väite P (n) riippuu n:n arvosta. Todistuksessa

Lisätiedot

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I MS-A040 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I G. Gripenberg Aalto-yliopisto. maaliskuuta 05 G. Gripenberg (Aalto-yliopisto) MS-A040 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä. ym.,

Lisätiedot

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 2

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 2 Matematiikan tukikurssi kurssikerta 1 Relaatioista Oletetaan kaksi alkiota a ja b. Näistä kumpikin kuuluu johonkin tiettyyn joukkoon mahdollisesti ne kuuluvat eri joukkoihin; merkitään a A ja b B. Voidaan

Lisätiedot

1. Logiikan ja joukko-opin alkeet

1. Logiikan ja joukko-opin alkeet 1. Logiikan ja joukko-opin alkeet 1.1. Logiikkaa 1. Osoita totuusarvotauluja käyttäen, että implikaatio p q voidaan kirjoittaa muotoon p q, ts. että propositio (p q) ( p q) on identtisesti tosi. 2. Todista

Lisätiedot

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim.

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim. Injektio Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim. Funktio f on siis injektio mikäli ehdosta f (x 1 ) = f (x 2 ) seuraa, että x 1 = x 2.

Lisätiedot

b) Määritä myös seuraavat joukot ja anna kussakin tapauksessa lyhyt sanallinen perustelu.

b) Määritä myös seuraavat joukot ja anna kussakin tapauksessa lyhyt sanallinen perustelu. Johdatus yliopistomatematiikkaan Helsingin yliopisto, matematiikan ja tilastotieteen laitos Kurssikoe 23.10.2017 Ohjeita: Vastaa kaikkiin tehtäviin. Ratkaisut voi kirjoittaa samalle konseptiarkille, jos

Lisätiedot

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus 1 / 51 Lineaarikombinaatio Johdattelua seuraavaan asiaan (ei tarkkoja määritelmiä): Millaisen kuvan muodostaa joukko {λv λ R, v R 3 }? Millaisen

Lisätiedot

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus 1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus 1.1 Määritelmä ja esimerkkejä Olkoon K kunta, jonka nolla-alkio on 0 ja ykkösalkio on 1 sekä V epätyhjä joukko. Oletetaan, että joukossa V on määritelty laskutoimitus

Lisätiedot

U β T. (1) U β T. (2) {,X} T. (3)

U β T. (1) U β T. (2) {,X} T. (3) 1.1 a) Joukkoperhe T = α I T α P(X) on topologia. Todistus. Osoitetaan, että topologian määritelmän 1.1 ehdot (1), (2) ja (3) toteutuvat. Ehtoa (1) varten olkoon {U β β J} T. Pitää osoittaa, että U β T.

Lisätiedot

Konvergenssilauseita

Konvergenssilauseita LUKU 4 Konvergenssilauseita Lause 4.1 (Monotonisen konvergenssin lause). Olkoon (f n ) kasvava jono Lebesgueintegroituvia funktioita. Asetetaan f(x) := f n (x). Jos f n

Lisätiedot

Relaatioista. 1. Relaatiot. Alustava määritelmä: Relaatio on kahden (tai useamman, saman tai eri) joukon alkioiden välinen ominaisuus tai suhde.

Relaatioista. 1. Relaatiot. Alustava määritelmä: Relaatio on kahden (tai useamman, saman tai eri) joukon alkioiden välinen ominaisuus tai suhde. Relaatioista 1. Relaatiot. Alustava määritelmä: Relaatio on kahden (tai useamman, saman tai eri) joukon alkioiden välinen ominaisuus tai suhde. Esimerkkejä Kokonaisluvut x ja y voivat olla keskenään mm.

Lisätiedot

TAMPEREEN YLIOPISTO Informaatiotieteiden yksikkö TOPOLOGIA

TAMPEREEN YLIOPISTO Informaatiotieteiden yksikkö TOPOLOGIA TAMPEREEN YLIOPISTO Informaatiotieteiden yksikkö TOPOLOGIA Arttu Ojanperä (Eero Hyryn luentojen mukaan) 2013 Sisältö 1 Johdanto 4 1 Jatkuvat kuvaukset........................ 4 2 Avoimet joukot..........................

Lisätiedot

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 07 Harjoitus Ratkaisuehdotuksia Tehtäväsarja I Osa tämän viikon tehtävistä ovat varsin haastavia, joten ei todellakaan

Lisätiedot

Diofantoksen yhtälön ratkaisut

Diofantoksen yhtälön ratkaisut Diofantoksen yhtälön ratkaisut Matias Mäkelä Matemaattisten tieteiden tutkinto-ohjelma Oulun yliopisto Kevät 2017 Sisältö Johdanto 2 1 Suurin yhteinen tekijä 2 2 Eukleideen algoritmi 4 3 Diofantoksen yhtälön

Lisätiedot

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko. Esimerkki 4.3.9. a) Piste on nollajoukko. Suoran rajoitetut osajoukot ovat avaruuden R m, m 2, nollajoukkoja. Samoin suorakaiteiden reunat koostuvat suoran kompakteista osajoukoista. b) Joukko = Q m [0,

Lisätiedot

Tietojenkäsittelyteorian alkeet, osa 2

Tietojenkäsittelyteorian alkeet, osa 2 TIEA241 Automaatit ja kieliopit, syksy 2016 Antti-Juhani Kaijanaho TIETOTEKNIIKAN LAITOS 12. syyskuuta 2016 Sisällys vs Ovat eri asioita! Älä sekoita niitä. Funktiot Funktio f luokasta A luokkaan B, merkitään

Lisätiedot

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21. Vektorianalyysi I MAT21003 Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21. syyskuuta 2017 1 Sisältö 1 Euklidinen avaruus 3 1.1 Euklidinen avaruus

Lisätiedot

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I G. Gripenberg Aalto-yliopisto 3. huhtikuuta 2014 G. Gripenberg (Aalto-yliopisto) MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteetyhteenveto, 3. osahuhtikuuta

Lisätiedot

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Vektorianalyysi II, syksy 018 Harjoitus 4 Ratkaisuehdotukset Tehtävä 1. Olkoon U R avoin joukko ja ϕ = (ϕ 1, ϕ, ϕ 3 ) : U R 3 kaksiulotteisen C 1 -alkeispinnan

Lisätiedot

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuhahmotelmia viikko 1. ( ) Jeremias Berg

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuhahmotelmia viikko 1. ( ) Jeremias Berg Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuhahmotelmia viikko 1. (14.3-18.3) Jeremias Berg 1. Luettele kaikki seuraavien joukkojen alkiot: (a) {x Z : x 3} (b) {x N : x > 12 x < 7} (c) {x N : 1 x 7} Ratkaisu:

Lisätiedot

Kanta ja dimensio 1 / 23

Kanta ja dimensio 1 / 23 1 / 23 Kuten ollaan huomattu, saman aliavaruuden voi virittää eri määrä vektoreita. Seuraavaksi määritellään mahdollisimman pieni vektorijoukko, joka virittää aliavaruuden. Jokainen aliavaruuden alkio

Lisätiedot

Reaalianalyysin perusteita

Reaalianalyysin perusteita Reaalianalyysin perusteita Heikki Orelma 16. marraskuuta 2008 Sisältö 1 Johdanto 3 2 Mitallisuus 3 3 Yksinkertaiset funktiot 6 4 Mitat ja integrointi 7 5 Kompleksisten funktioiden integrointi 10 6 Nolla-mittaisten

Lisätiedot

Hieman joukko-oppia. A X(A a A b A a b).

Hieman joukko-oppia. A X(A a A b A a b). Hieman joukko-oppia Seuraavassa esittelen hieman alkeellista joukko-oppia. Päämääränäni on saada käyttöön hyvinjärjestyslause, jota tarvitsemme myöhemmin eräissä todistuksissa. Esitykseni on aika, vaikkei

Lisätiedot

8. Avoimen kuvauksen lause

8. Avoimen kuvauksen lause FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 125 8. Avoimen kuvauksen lause Palautamme aluksi mieleen Topologian kursseilta ehkä tutut perusasiat yleisestä avoimen kuvauksen käsitteestä. Määrittelemme ensin avoimen

Lisätiedot