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Pizzaseminar zu konstruktiver Mathematik 3. ¨Ubungsblatt

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Universit¨at Augsburg 4. September 2013

Pizzaseminar zu konstruktiver Mathematik 3. ¨ Ubungsblatt

Aufgabe 1.Schranken f¨ur die Gr¨oße der n-ten Primzahl

Folgender Beweis der Unendlichkeit der Primzahlen wird Euklid zugeschrieben:

Angenommen, p1, . . . , pr seien alle Primzahlen. Wir setzen N :=p1· · ·pr+ 1.

Nach dem Fundamentalsatz der Arithmetik l¨asst sichN in Primfaktoren zerlegen.

Das ist ein Widerspruch, denn diepi sind keine Teiler vonN, andere Primzahlen gibt es aber nach Widersprungsvoraussetzung nicht.

a) Formuliere den Beweis so um, dass er konstruktiv folgende st¨arkere Aussage zeigt:

Seien p1, . . . , pr gegebene Primzahlen. Dann gibt es eine weitere Primzahl ungleich den pi. (Das war auch Euklids urspr¨ungliche Formulierung.)

b) Sei nun p1, p2, . . . die aufsteigende Folge aller Primzahlen. Extrahiere aus deinem Beweis die Absch¨atzung

pn+1p1· · ·pn+ 1.

c) Zeige folgende Schranke f¨ur die Gr¨oße der n-ten Primzahl:

pn≤22n−1.

Tats¨achlich ist diese Schranke sehr pessimistisch. Aus Eulers Alternativbeweis der Unend- lichkeit der Primzahlen, der nicht nur die Existenz, sondern auch die Eindeutigkeit der Primfaktorzerlegung verwendet, kann man eine bessere Schranke extrahieren; siehe etwa die Analyse in U. Kohlenbach,Applied Proof Theory, Kapitel 2, Seite 15f.

Aufgabe 2.Friedmans Trick

Beweise folgende fundamentale Eigenschaften der Friedman¨ubersetzung:

a) Sei ϕ eine Aussage, in der Existenzquantoren nur ¨uber bewohnte Typen gehen. Dann gilt intuitionistisch: F =⇒ϕF.

b) Seiϕeine Aussage, in der nur>,⊥, ∧, ∨und∃(¨uber bewohnte Typen), aber nicht⇒ oder ∀ vorkommen. Dann gilt intuitionistisch:ϕF ⇐⇒ϕF.

Tipp: Induktion ¨uber den Aussageaufbau.

c) Seien ϕ und ψ beliebige Aussagen in einem Kontext ~x (mit ∃ nur ¨uber bewohnte Typen). Wennϕ`~xψ intuitionistisch, dann gilt auchϕF `~x ψF intuitionistisch.

Tipp: Induktion ¨uber den Aufbau von Ableitungen – zu zeigen ist, dass die Fried- man¨ubersetzungen aller Schlussregeln intuitionistisch g¨ultig sind.

d) Die Peano-Axiome implizieren ihre Friedman¨ubersetzungen.

Aufgabe 3.Formaler Nullstellensatz

Seien f1, . . . , fnR[X1, . . . , Xm] Polynome inm Variablen ¨uber einem RingR mit 16= 0.

a) Gelte 1 =p1f1+· · ·+pnfnf¨ur gewisse Polynomep1, . . . , pn. Zeige, dass die Polynomefi keine gemeinsame Nullstelle besitzen.

b) Zeige umgekehrt, dass man aus einem Beweis, dass diefi keine gemeinsame Nullstelle besitzen, genauer einem Beweis der Sequenz

Z(f1)∧ · · · ∧Z(fn)` ⊥

welcher von der im Skript beschriebenen Form ist, explizit eine Darstellung des Einspolynoms wie in a) erhalten kann.

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