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1. Elementare Logik

Logic is the study of correct reasoning. It includes both formal and informal logic.

Mathematical logic is the study of formal logic within mathematics. Major sub-areas include model theory, proof theory, set theory, and recursion theory.

Formal Logic (Symbolic Logic, Formal System)

Formal logic uses a formal approach to study reasoning: it replaces concrete expressions with abstract symbols to examine the logical form of arguments independent of their concrete content.

Example 1: Modus Ponens (A form of Deductive Reasoning)

Modus Ponens is a common structure in formal logic:

If P, then Q.
P is true.
Therefore, Q is true.

Symbolically:

P ⇒ Q (If P, then Q)
P (P is true)
∴ Q (Q is true)

Formal System Components

Formal Language Aspects

Usually, only the syntax of a formal language is considered via the notion of a formal grammar.

Mathematical induction is technically a form of deductive reasoning. Although the process of mathematical induction may seem like it involves establishing something step by step, it is based on a logical framework that ensures the truth of a statement for all cases, which is characteristic of deduction.

Informal Logic

Informal logic deals with everyday reasoning and focuses on the content of the arguments, considering context, plausibility, and relevance. It is less concerned with strict symbolic representation and more with how arguments are presented in natural language. Informal logic often addresses fallacies and reasoning errors that people make in everyday discourse.

Example 1: Ad Hominem Fallacy (Fallacy of Relevance)

An ad hominem fallacy occurs when someone attacks the person making an argument rather than addressing the argument itself.

Example:

Person A: "We should reduce carbon emissions to combat climate change."
Person B: "Why should we listen to you? You failed science in high school."

1.1 Aussagenlogik (Propositional Logic, Zero Order Logic, Proposition)

Unter einer Aussage verstehen wir in dem Kontext einfach generell irgendeine Behauptung, von der man klar sagen kann, ob sie zutrifft oder nicht. Eine Aussage (zu Englisch: „a proposition“) sei die Beschreibung einer Situation, die wir eindeutig entweder als „wahr“ oder als „falsch“ klassifizieren können.

1.1.1 Verknüpfung von Aussagen

Wahrheitstafel(truth table): stellt dir zu einer aussagenlogischen Formel alle möglichen Wahrheitswerte auf

Junktor ist eine Logische Verknüpfung zwischen Aussagen. Eine Operation, die aus diesen Aussagen eine neue Aussage erzeugt, indem sie für jede mögliche Variante der Wahrheitswerte der gegebenen Aussagen einen Wahrheitswert festlegt, nennen wir Junktor (zu Englisch: „logic operator“).

Logische Operator ist eine Funktion die einen Wahrheitswert liefert. Eine aussagenlogische Formel (Kombination von Aussagenvariablen) ist eine Zeichenkette bestehend aus Aussagenvariablen, also Buchstaben (wir wollen „p“, „q“ und „r“ dafür verwenden), die als Platzhalter für beliebige Aussagen stehen, und den logischen Operatoren ㄱ, ㅅ, v, ⇒ und ⇔.

Normalformen

Tautologie, Kontradiktion: 1. Aussage die immer wahr hist 2. Aussage die immer falsch ist

1.2 Prädikatenlogik (Predicate Logic, First Order Logic)

Predicate logic extends propositional logic by incorporating quantifiers and variables, allowing for more complex statements about objects and their properties, relationships, or functions.

Basic Concepts of Predicate Logic

Examples of Predicate Logic

Example 1: Universal Quantifier
Statement: "All humans are mortal."
∀x(H(x) ⇒ M(x))

Example 2: Existential Quantifier
Statement: "There is someone who is a mathematician."
∃x(M(x))

Example 3: Complex Statement Statement: "Every person who is a student is happy, and there exists a student who studies logic." In predicate logic: ∀x(S(x)⇒H(x))∧∃y(S(y)∧L(y)) Where: S(x) means "x is a student." H(x) means "x is happy." L(y) means "y studies logic." ∀x means "for every x." ∃y means "there exists a y." Interpretation: For every x, if x is a student, then x is happy. And, there exists a y such that y is both a student and studies logic. Predicate Logic with Mathematics Let's apply predicate logic to mathematical statements. Example 4: Mathematical Statement Statement: "For every real number x, if x>0 then x^2 >0." Using predicate logic: ∀x(x>0⇒x^2>0) Here, the domain of discourse is the set of real numbers. Interpretation: For all real numbers x, if x is greater than 0, then x^2 is also greater than 0. Example 5: Mathematical Existential Statement Statement: "There exists a real number x such that x^2=4" In predicate logic: ∃x(x2=4) Where the domain of discourse is the set of real numbers. Interpretation: There exists at least one x such that x^2= 4x (in this case, x=2 or x=−2 ).
Definition 1.2.1 (Term). Eine Zeichenreihe wird genau dann als Term (zu Englisch: „term“) bezeichnet, wenn sie sich durch wiederholte Anwendung folgender Regeln erzeugen läßt: (i) Jede Konstante ist ein Term. (ii) Jede Objektvariable ist ein Term. (iii) Ist t1 ein Term und f1 ein einstelliges Funktionssymbol, so ist f1(t1) ein Term; Definition 1.2.2 (Atomare prädikatenlogische Formel). Ist t1 ein Term und P1 ein einstelliges Prädikatssymbol, so ist P1(t1) eine atomare prädikatenlogische Formel (zu Englisch: „first-order logic atomic formula“); Definition 1.2.3 (Prädikatenlogische Formel). Wir nennen eine Zeichenreihe eine prädikatenlogische Formel (zu Englisch: „first-order logic formula“), wenn sie sich durch wiederholte Anwendung folgender Regeln erzeugen läßt: (i) Jede atomare prädikatenlogische Formel ist ein prädikatenlogische Formel. (ii) Ist ϕ eine prädikatenlogische Formel, so ist auch (ㄱϕ) ein prädikatenlogische Formel. (iii) Ist ϕ eine prädikatenlogische Formel und x eine Objektvariable, so sind (∀xϕ) und (∃xϕ) prädikatenlogische Formeln Definition 1.2.5 (Interpretation). Sei ϕ eine Formel. Eine Vorschrift S, die vorgibt, welche konkreten Objekte für die Konstanten und freien Objektvariablen, welche konkreten Funktionen für die Funktionssymbole und welche konkreten Prädikate für die Prädikatensymbole in ϕ eingesetzt werden sollen, nennen wir eine Interpretation Definition 1.2.6 (Quantoren). Sei ϕ eine Formel, die die freie Variable x enthalte, und S eine Interpretation, die jedoch der Variablen x kein Objekt zuweise. Universale Quantoren Existential Quantoren

2. Mengenlehre (Set Theory)

Set theory is the branch of mathematical logic that studies sets, which can be informally described as collections of objects.

The modern study of set theory was initiated by German mathematicians Richard Dedekind and Georg Cantor in the 1870s. George Cantor is considered the founder of set theory.

At the time, set theory was referred to as naive set theory, which led to several paradoxes (e.g., Russell’s Paradox, Barber’s Paradox). This was resolved with the introduction of axiomatic set theory, the most famous of which is ZFC (Zermelo–Fraenkel set theory).

Barber’s Paradox (Russell's Paradox)

The barber is the "one who shaves all those, and those only, who do not shave themselves". The question is, does the barber shave himself?

Existential Axiom (Axiom of Extensionality)

Zwei Mengen X und Y sind gleich, wenn sie dieselben Elemente besitzen, also:
∀X∀Y(X=Y⟺∀z(z∈X⟺z∈Y))

Gleichheit von Mengen

Seien X, Y Zwei Mengen. Dann gilt:
X = Y ⟺ ((X ⊆ Y) ∧ ( Y ⊆ X))

Existenz der leeren Menge

∃X∀x(x∉X)

A set is considered countable if its elements can be placed in one-to-one correspondence with the set of natural numbers. Countable sets include N, Z, and Q. Uncountable sets, such as irrational numbers, include ℝ.

Operationen auf Mengen

Kartesisches Produkt (Cartesian Product)

Seien X und Y zwei Mengen. Wir definieren das kartesische Produkt X×Y („X kreuz Y“) von X und Y durch:
X×Y := {(x,y)∣x∈X,y∈Y}.

Das kartesische Produkt ist nicht kommutativ, da die geordneten Paare (x, y) und (y, x) im Allgemeinen nicht gleich sind. Wir haben also X × Y ≠ Y × X.