bab i tautologi dan prinsip-prinsip pembuktian

BAB I
TAUTOLOGI DAN PRINSIP-PRINSIP PEMBUKTIAN
Pada bab ini akan dibicarakan rumus-rumus tautologi dan prinsip-prinsip pembuktian
yang tidak saja digunakan di bidang matematika, tetapi juga dapat diterapkan dalam
bidang lain, khususnya untuk mempertajam daya nalar.
2.1
Tautologi
Di dalam logika kalimat semesta pembicaraannya adalah himpunan fakta-fakta
(peristiwa, situasi) yang merupakan unsur-unsur di luar bahasa, Agar kita dapat
membicarakan suatu peristiwa (fakta) tertentu dari semestanya kita memerlukan suatu
lambang. Lambang ini disebut kalimat konstan/konstanta yang ditulis dengan
,
,
dan sebagainya.
Jika “Tono mahasiswa dengan IPK 3,5” mempunyai simbol
Contoh 2.1.1
“ ” dan
“Tono berasal dari luar “Jawa” mempunyai simbol “ ”., maka kalimat,
1. “Tono mahasiswa dengan IPK 3,5” dan berasal dari luar “Jawa” mempunyai simbol
“
”.
2. “Jika Tono berasal dari luar kota, maka Tono mahasiswa dengan IPK 3,5”
mempunyai simbol
Dalam hal ini simbol “ ”, “ ”, “
.
” dan
merupakan konstanta kalimat atau
kalimat konstan.
Simbol yang melambangkan sebarang fakta (peristiwa) disebut variabel)
Definisi 2.1.2
kalimat, yang ditulis dengan
Misalkan diberikan bentuk-bentuk.
Contoh 2.1.3
1.
dan sebagainya.
.
2.
Masing-masing rangkaian tanda merupakan bentuk kalimat (statement form); dan jika
variabel
diganti dengan kalimat-kalimat konstan akan berubah menjadi suatu
pernyataan. Sebagai contoh pada kalimat ke-1,
1. Jika
disubstitusi dengan kalimat: “Kuadrat bilangan real selalu non negatif”
disubstitusi dengan kalimat “Ada bilangan asli yang lebih kecil daripada 1”.
Maka diperoleh pernyataan:
“Kuadrat bilangan awal selalu negatif dan ada bilangan asli yang lebih kecil
daripada 1”, yang bernilai salah.
2. Jika
disubstitusi dengan kalimat, “Kuadrat bilangan real selalu non negatif”
disubstitusi dengan kalimat “Tidak ada bilangan yang lebih kecil daripada 1”.
Maka diperoleh pernyataan:
“Kuadrat bilangan real selalu non negatif dan tidak ada bilangan asli yang lebih
kecil daripada 1”, yang bernilai benar.
Contoh 2.1.4
Bentuk-bentuk yang memuat variabel kalimat dan yang menyajikan
hukum-hukum logika kalimat disebut tautologi.
Di dalam tautologi setiap penggantian dari semua variabel di dalamnya dengan
konstanta-konstanta kalimat akan menghasilkan suatu pernyataan yang bernilai benar.
Tentu saja dalm penggantian, untuk masing-masing variabel (simbol) yang sama harus
digantikan dengan konstanta kalimat yang sama.
Untuk melihat apakah suatu bentuk kalimat merupakan suatu tautologi atau bukan
dapat dilakukan dengan membuat tabel nilai kebenaran dari bentuk tersebut dengan
mendaftar semua kemungkinan (kombinasi
dan
) dari setiap nilai kebenaran
variabelnya.
Contoh 2.1.5
Diberikan bentuk-bentuk,
1.
2.
Pada bentuk ke-1, apapun kalimat konstan yang menggantikan
pernyataan yang bernilai benar.
T
F
F
T
T
T
Demikian juga pada kalimat ke-2. hal ini dapat dilihat pada halaman ....
akan menghasilkan
Bentuk-bentuk kalimat yang memuat variabel kalimat yang selalu bernilai salah
untuk setiap penggantian variabel kalimat dengan konstanta kalimat disebut kontradiksi.
Sebagai contoh bentuk,
,
selalu bernilai salah untuk
apapun sesuai tabel
T
F
F
T
F
F
Ingkaran dari tautologi akan merupakan kontradiksi, sebab tautologi selalu bernilai benar
untuk setiap penggantian variabel kalimatnya, sehingga ingkarannya akan selalu bernilai
salah.
Selanjutnya, untuk membuktikan suatu bentuk kalimat merupakan tautologi selain
menggunakan tabel kebenaran dapat juga dilakukan dari luar tabel denga mengamati
hasil dari tabel. Sebagai contoh akan dibuktikan.
1.
dan
2.
Penyelesaian:
1. Bentuk ini merupakan implikasi, sehingga akan bernilai benar jika anteseden
bernilai salah atau konsekuen benar. Satu-satunya kemungkinan yang dapat
membuat kalimat bernilai salah adalah anteseden yaitu
jika
bernilai benar. Tetapi
bernilai benar, maka sesuai nilai kebenaran dari disjungsi, bentuk
pasti bernilai benar apapun
. Akhirnya
juga bernilai benar.
2. Bentuk kalimat ini merupakan biimplikasi, sehingga akan bernilai salah hanya jika
keduanya mempunyai nilai kebenaran yang berbeda.
Karena
dan
merupakan variabel kalimat, maka hanya cukup dibuktikan
salah satu sisi saja. Misalkan sisi sebelah kiri bernilai benar, maka
salah atau
implikasi
bernilai benar. Jika
bernilai
bernilai salah, maka apapun
pasti bernilai benar, sehingga,
,
pasti bernilai benar. Sedangkan jika
salah atau
bernilai benar, maka
bernilai
bernilai benar, sehingga bentuk,
pasti benar.
Latihan 2.1
1. Tunjukkan dengan tabel kebenaran bentuk-bentuk kalimat berikut ini apakah
merupakan kalimat terbuka, tautologi atau kalimat yang selalu bernilai salah:
1.1
1.4
1.2
1.5
1.3
1.6
2. Tanpa
menggunakan
pengisian
tabel
pembuktian,
q
bentuk-bentuk
berikut
merupakan tautologi.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.2
Rumus-rumus tautologi
Di bawah ini diberikan rumus-rumus tautologi. Semua rumus dapat dibuktikan
dengan menggunakan metode tabel nilai.
Rumus 2.1 (Komutatif)
1.
2.
Rumus 2.2 (Distributif)
1.
2.
Rumus 2.3
1.
3.
2.
4.
Rumus 2.4
1.
3.
Rumus 2.5 (Asosiatif)
1.
2.
Rumus 2.6 (Identitas, negasi rangkap dan idempoten)
1.
3.
2.
4.
Dua rumus berikut ini sudah dibicarakan di dalam Bab I.
Rumus 2.7 (Hukum De Morgan)
1.
2.
Rumus 2.8
1.
2.
Rumus 2.9
1.
3. (
2.
4.
Rumus 2.10
Hubungan implikasi dan biimplikasi dengan negasi, konjungsi dan
disjungsi.
1.
3. (
2.
4.
Rumus 2.11
1.
2.
(sifat transitif)
Rumus 2.12
1.
2.
Rumus-rumus di atas dapat dijadikan dasar untuk membuktikan tautologi-tautologi
bentuk lanjutan tanpa menggunakan pengisian tabel kebenaran. Sebagai contoh akan
dibuktikan:
Bukti:
!" !
#$$$%
!
#$$%
& '()(
!" !
#$$$%
Suatu tautologi juga dapat dibuktikan dengan cara membawa bentuk kalimat yang
akan dibuktikan ekuipolen ke nilai benar (T) dengan menggunakan rumus-rumus dasar.
Contoh 2.2.1
merupakan tautologi.
Buktikan bahwa
!" !
#$$$%
Bukti :
*+,-./.+
#$$$$$%
#$$%
0!
#$$%
1!
#$$%
1!
#$$%
Latihan 2.2
Buktikan, bahwa Rumus 21. – 2.12 di atas merupakan tautologi dengan
menggunakan pengisian tabel. Jika mungkin buktikan juga tanpa menggunakan pengisian
tabel.
2.3
Metode Pembuktian
Di dalam bidang matematika ada tiga hukum penting tautologi yang digunakan
sebagai metode pembuktian yaitu:
1. Modus Ponens
2. Hukum Kontraposisi
3. Reductio ad absurdum
Modus ponens termasuk dalam bukti secara langsung. Sedangkan kontraposisi dan
reductio ad absurdum dipandang sebagai bukti tidak langsung. Pembuktian suatu teori
lebih diutamakan menggunakan bukti secara langsung.
2.3.1
Modus Ponens
Rumus 2.13
Hukum ini dapat disajikan dengan skema sebagai berikut.
2
3
4
Jika implikasi “2
3
35 merupakan fakta (hukum) yang benar dan fakta “25 terjadi,
maka dapat disimpulkan fakta “35pasti terjadi.
Contoh 2.3.1
Buktikan bahwa salah satu titik potong grafik fungsi denganpersamaan
6 7 8 9 7 :9 0 ; :9 ; < terhadap sumbu = berada di interval >< (?.
Penyelesaian:
Di dalam kalkulus berlaku sifat (implikasi) jika 8 kontinyu pada interval
>@ A?, dan berlaku 8 @ dan 8 A
berbeda tanda, maka dapat ditemukan
B C >@ A?yang memenuhi 8 B 7 D. Jadi implikasi ini bernilai benar.
Fungsi 6 7 8 9 7 :9 0 ; :9 ; < kontinyu pada >< (? dan 8 E D serta 8 B( F D
Jadi anteseden implikasi terjadi, maka apat disimpulkan terdapat 9" C >< (? yang berakibat
8 9" 7 :9" ; < 7 D
Jadi satu titik potong grafik fungsi 8 terhadap sumbu = berada di interval >< (?.
2.3.2 Hukum Kontraposisi
Seringkali kita mengalami kesulitan untuk membuktikan bahwa peristiwa G terjadi
dari diketahuinya fakta 4 . Untuk itu kita bisa menggunakan hukum kontraposisi.
Rumus 2.1.4
Dengan kata lain, jika dari fakta G dapat dipastikan terjadinya 4 , maka dapat
ditarik kesimpulan , bahwa dengan berlakunya fakta 4 dapat dipastikan G terjadi.
Sebaliknya jika implikasi 4
G merupakan fakta yang benar, maka dapat diketahuinya
G terjadi, dapat ditarik kesimpulan 4 pasti terjadi, seperti skema berikut ini.
2
4
3
G
+
Contoh 2.3.2
Buktikan, bahwa jika < H ;<
Penyelesaian:
Ingkaran J genap adalah J ganjil. akibatnya
< H ;<
+
I D, maka J genap.
;<
+
7 ;< Sehingga
7 D yang merupakan ingkaran dari < H ;<
+
ID
jadi
kontraposisinya dapat dibuktikan, sehingga kalimat aslinya secara tidak
langsung juga terbukti.
2.3.3 Reductio ad absurdum
Misalkan kita akan membuktikan pernyataan
4 , yaitu
4 . Dari pengandaian
tersebut dengan penalaran yang sahih diturunkan suatu kontradiksi. Hal ini hanya
mungkin terjadi kalau terjadi kesalahan pada pengandaian, sehingga pengandaian harus
diingkar, yaitu “ 4K “.
Berikut ini disajikan rumus-rumus tautologi yang merupakan bentuk-bentuk reductio
ad absurdum:
K
L
Rumus 2.15
M
K
M
L
Misalkan akan dibuktikan pernyataan 4 . Diandalkan 4 . Jika dari kalimat 4 dapat
diturunkan G
4
G
G , maka dapat disimpulkan 4 terjadi.
G
2
Benar : Tautologi
4
G
G
Diturunkan dari 4
2
T : Modus Ponens
Buktikan, bahwa N( bilangan irrasional.
Contoh 2.3.3
Bukti : Yang akan dibuktikan pernyataan OP N( bilangan irrasional. Diandaikan O berlaku,
dengan kata lain N( bilangan rasional. Di
Q berlaku sifat untuk setiap bilangan rasional
dapat dinyatakan dengan
7
R
+
,
Dengan S dan J bilangan bulat, J I D dan S J yaitu faktor persekutuan terbesar dari S
R
dan J sama dengan 1. N( bilangan rasional, maka N( 7 , untuk suatu bilangan bulat S
+
dan J dengan J I D dan S J 7 < (Modus ponens), sehingga
(J 7 N(J
7 S 7 SS
Sesuai modus ponens dapat disimpulkan S 7 (B, dengan c bilangan bulat. Akibatnya
(J 7 (B (B dan sesuai sifat konselasi berlaku JJ 7 J 7 (B , sama dengan J 7 (T
untuk suatu bilangan bulat T Akibatnya S J U ( kontradiksi S J 7 < dan S J U (
Yang benar O P N( bilangan irrasional.
Rumus 2.16
Untuk membuktikan 4 , terlebih dahilu diandaikan 4 . Jika dari pengandaian 2
K
dapat diturunkan 4 , maka terjadi kontradiksi antara 4 (dari pengandaian) dengan 4
(hasil penurunan dari asumsi). Akibatnya pengandaian harus diingkar dan terbukti 4 ,
yaitu 2
4
4
2
4
4
“25 Diturunkan dari 4
2
Contoh 2.3.4
Benar : Tautologi
T : Modus Ponens
Di dalam himpunan semua bilangan bulat notasi 9! 9 V 9+ adalah
simbol faktor persekutuan terbesar dari 9! 9 V 9+ , buktikan, Bahwa,
9 6 7 6 W 7 9 W 7<
9 6 W 7<
Bukti
Andaikan 9 6 W F < Karena 9 6 W faktor persekutuan 9, 6 dan W,
maka 9 6 W X9 Y dan 9 6 W 6, sehingga 9 6 W Z 9 6 . Akibatnya
:
< E 9 6 dan terjadi kontradiksi dengan 9 6 7 <
Contoh 2.3.5
Di dalam semesta himpunan semua bilangan berlaku sifat jika W bilangan
prima dan W X@AY dengan @ dan A keduanya bulat, maka WX@Y atau WXA.Y
Bukti
Andaikan W [ A, Karena WXAA +\! Y maka sesuai sifat bilangan prima WXAY
atau WXA +\! Y Oleh karena W [ A, maka WXA +\! Y dan A +\! 7 AA +\
Jadi
WXA +\! Y WXA +\0 Y dan seterusnya. Pada akhirnya WXAY, sehingga dapat
:
disimpulkan WXA.Y
Rumus 2.1.7
Misalkan kita akan membuktikan implikasi
4
4
G . Ingkaran
4
G
adalah
G sehingga dari ingkaran tersebut dapat ditarik kesimpulan G terjadi. Jika dapat
dibuktikan G , maka terjadi kontradiksi,
4
G
4
G
G
4
T : Tautologi
T : “G Diturunkan dari 4
G
2
Contoh 2.3.6
G
G
3 T : Modus Ponens
Denagn semesta pembicaraan himpunan semua bilangan real, buktikan
bahwa jika untuk setiap C U 0 berlaku @]^_A H C, maka a Z b.
Bukti :
Misalkan,
2 : Untuk setiap ` U 0 berlaku a Z b + C, dan
3 : a Z b,
Sehingga yang akan dibuktikan adalah implikasi “2
4
G berlaku. Jadi 4
a Z b + C tetapi
.\c
3”, diandaikan
G terjadi, yaitu untuk setiap C U 0 memenuhi
F a Akibatnya ba F D Dipilih C yang sama dengan
, maka C > 0 dan
@ Z AHC7 A H
@;A
(
Akibatnya (@ Z (A H @ ; A , sehingga @ Z A, yaitu terbukti G . Sesuai
3”.
tautologi terbuktilah “2
Rumus 2.18
Misalkan kita akan membuktikan implikasi “2
“2
Ingkaran “2
3” adalah
G , sehingga dari ingkaran tersebut dapat ditarik kesimpulan “25 terjadi. Jika dapat
dibuktikan 4 , maka terjadi kontradiksi, sehingga “2
“2
3”.
G harus diingkar dan terjadilah
3”.
4
4
G
4
4
G
4
G
T : Tautologi
T : “4 Diturunkan dari 4
2
3
G
T : Modus Ponens
Buktikan bahwa jika @ dan A positif bilangan real positif, maka,
Contoh 2.3.7
!
@ H A U N@A ,
Penyeleseaian :
1. Bukti secara posisitf : karena @ dan A positif, maka @ A @ H A dan
@;A
positif, sehingga,
@HA
U @HA
; @;A
=
@HA
@ H (@A H A
U
d@A
!
1
@HA
U
@A
!
@HA
U
N@A
; @ ; (@A H A
2. Bukti tidak langsung : Misalkan
2 : @ dan A positif, dan G e
!
@HA
U N@A
35 Diandaikan ingkaran “2
Berarti yang harus dibuktikan adalah “2
2
3 terjadi, maka @ dan A positif, tetapi
Akibatnya
!
1
@ H (@A H A
!
71 @HA
!
@HA
E N@A.
E @A, sehingga
Jadi
@;A
35 yaitu
7 @ ; (@A H A E D
@ H (@A H A E d@A
yang berarti @ kompleks atau A kompleks, yaitu ingkaran dari @ dan A real positif,
35
sehingga terbukti “2
Rumus 2.19
Dari tautologi ini dapat ditarik kesimpulan, bahwa dari sesuatu yang salah
pernyataan apapun dapat dibuktikan (Ex falso sequitur quod libet). Hal ini berakibat, di
bidang matematika jika terjadi suatu kontradiksi 2 dan 4 , maka pernyataan matematika
sebarang 3 (berbentuk rumus, teorema, hukum dan sebagainya) dapat dibuktikan bernilai
benar.
4
4
4
G
T : Tautologi
T : karena ketentuan
T : Modus Ponens
T : karena ketentuan
T : Modus Ponens
Latihan 2.3
1. Buktikan, bahwa bentuk-bentuk berikut merupakan tautologi, jika mungkin tanpa
menggunakan tabel.
1.1.
1.2.
Modus toilendo ponens
1.3.
f
1.4.
f
1.5.
2. Buktikan secara langsung maupun dengan reductio ad absurdum, bahwa
banyaknya bilangan-bilangan prima tak terhingga.
3. Buktikan bahwa jika
!
4. Buktikan bahwa jika
< H ;<
Oi', yaitu
ganjil maka J genap.
bilangan prima, maka g merupakan irrasional.
5. Diketahui segitiga sama sisi
sangkar
+
h dengan panjang sisi 1 terletak pada bujur
terletak pada Oi dan h pada i'. Buktikan bahwa luas
segitiga ih sama dengan jumlah luas segitiga O dan 'h.
6. Buktikan dengan reductio ad absurdum, bahwa akar-akar persamaan,
9 + H @! 9 +\! H j H @+\! 9 H @+ 7 D
bernilai bulat atau irrasional.
7. Tunjukkan, bahwa di dalam himpunan semua bilangan bulat pernyataanpernyataan berikut ekuivalen.
1. 9 6 W 7 <
4. 9 6 7 <
2. 9 W 7 <
5. 9 6 7 6 W 7 9 W 7 <
3. k l 7 <
8. Dengan menggunakan pengetahuan di mata kuliah kalkulus, buktikan bahwa
perpotongan grafik fungsi dengan persamaan 6 7 :9 0 ; :9 ; < terhadap sumbu
= hanya ada tepat satu titik.
9. Buktikan secara langsung maupun dengan reductio ad absurdum, bahwa jika J
bulat dan J habis dibagi 2, maka J juga habis dibagi 2.
10. Misalkan
diketahui
@m ,
dengan
n7< V J
adalah
pernyataan-pernyataan.
Tunjukkan, bahwa untuk membuktikan
@!
@
j
@+
cukup dibuktikan
@!
@
j
@+
@!
11. Diberikan 80 koin mata uang, terdiri dari 79 koin asli dengan bobot sama dan 1
koin palsu dengan bobot lebih berat, Dengan menggunakan timbangan berlengan
sama, tentukan jumlah minimal banyaknya penimbangan dan bagaimana cara
menimbangnya agar akhirnya diketahui koin yang palsu.
12. Lima buah kartu yaitu: A, B, C, D, E akan diberi nomor dari 0, 1, 2, 3 atau 4 tanpa
ada yang sama dan dimulai dari kartu paling kiri, A. Misalnya A diberi nomor o.
kemudian kartu paling kanan diletakkan di sebelah kiri kartu paling kiri, berturutturut E, D, dan seterusnya sampai sebanyak d ; o kartu. Kemudian kartu paling kiri
diberi nomor ], yaitu satu diantara 0, 1, 2, 3, 4 selain o; selanjutnya secara
berturutan dari kartu paling kanan, d ; ] kartu dipindahkanke sebelah kiri kartu
yang paling kiri. Jika proses dilanjutkan dengan cara tersebut tunjukkan, bahwa
langkah penomoran akan gagal.
belum lengkap hal buku 24