Hola. Voy a plantear mi duda mediante un ejemplo. Es un ejercicio, dice así:
Considere el alfabeto \( \Sigma=\{a,b,c\} \) y el lenguaje \( \Gamma\subset{}\Sigma^* \) definido como:
\( \begin{array}{ll} \mbox{ i } & \epsilon\in \Gamma \\ \mbox{ ii }& a\in \Gamma\\ \mbox{ iii }& \mbox{Si $\alpha\in \Gamma$ y $\beta\in \Gamma$, entonces $b \alpha c\beta b\in \Gamma$} \end{array} \)
Aclaración
Respecto a la notación, \( \epsilon \) representa la palabra vacía, y \( \Sigma^* \) es el conjunto de todas las palabras que se pueden formar a partir del alfabeto \( \Sigma \).
Además cuando se da un conjunto definido por reglas, ha de interpretarse como el menor conjunto que satisface dichas reglas. Volveré sobre ese punto al final.
Otra cosa que creo oportuno aclarar, es que en la definición dada \( \alpha \) y \( \beta \) son metavariables que representan cualquier palabra de \( \Gamma \). No son elementos del alfabeto.
Demuestre, usando el principio de inducción que corresponda, que:
[1] todas las palabras de \( \Sigma \) tienen una cantidad par de ocurrencias de la letra \( b \).
[2] en \( \Gamma \) no hay palabras de largo 2.
[3] en \( \Gamma \) hay palabras de cualquier largo, salvo 2.
Entonces lo que hago es enunciar el
principio de inducción primitva para \( \Gamma \) (por cada conjunto inductivo, tendré un principio de inducción primitiva distinto):
Sea \( P \) una propiedad sobre los elementos de \( \Gamma \) tal que se cumple:
1. \( P(\epsilon) \)
2. \( P(a) \)
3. Si \( P(\alpha) \) y \( P(\beta) \) para \( \alpha,\beta\in \Gamma \), entonces \( P(b \alpha c\beta b) \)
En las hipótesis anteriores, se cumple \( P(\alpha) \) para todo \( \alpha\in \Gamma \).
En [1] la propiedad a probar es \( \textrm{$P_1(\alpha)$ := $\alpha$ tiene una cantidad par de ocurrencias de la letra $b$} \) y en [2] \( \textrm{$P_2(\alpha)$ := $\alpha$ no tiene largo $2$} \). Ambas se pueden demostrar usando el teorema enunciado anteriormente. En cambio, [3] no es una propiedad referida sobre los elementos de \( \Gamma \) (creo yo) sino sobre los números naturales. Es decir, la propiedad sería \( \textrm{$P_3(n)$ := existe una palabra $\alpha\in \Gamma$ tal que el largo de $\alpha$ es $n$} \), y habría que probar que se cumple \( P_3(0) \), \( P_3(1) \) y \( P_3(n) \) para todo \( n\geq 3 \).
Creo que la demostración que ellos buscan serían algo así. Definimos el conjunto \( S \) como:
\( \begin{array}{ll} \mbox{ i) } & 0\in S \\ \mbox{ ii) }& 1\in S\\ \mbox{ iii) }& \mbox{Si $n\in S$ y $m \in S$, entonces $(3+n+m) \in S$} \end{array} \)
Ahora enunciamos el correspondiente principio de inducción primitiva para \( S \):
Sea \( P \) una propiedad sobre los elementos de \( S \) tal que se cumple:
1. \( P(0) \)
2. \( P(1) \)
3. Si \( P(n) \) y \( P(m) \) para \( n,m\in S \), entonces \( P(3+n+m) \)
En las hipótesis anteriores, se cumple \( P(n) \) para todo \( n\in S \).
Usando este principio podemos estructurar la demostración así:
Demostración del apartado 3
Alcanza con probar:
Paso base 1: ¿Se cumple \( \textrm{$P_3(0)$ := existe una palabra $\alpha\in \Gamma$ tal que el largo de $\alpha$ es $0$} \)? Sí, tomamos \( \alpha\equiv{}\epsilon \) (la palabra vacía tiene largo 0 y pertenece a \( \Gamma \) por \( \textrm{i} \)).
Paso base 2: ¿Se cumple \( \textrm{$P_3(1)$ := existe una palabra $\alpha\in \Gamma$ tal que el largo de $\alpha$ es $1$} \)? Sí, tomamos \( \alpha\equiv{}a \) (la palabra \( a \) tiene largo 1 y pertenece a \( \Gamma \) por \( \texrm{ii} \)). Hay que aclarar en este punto que se está tomando \( a \) como palabra y no como elemento (o letra) del alfabeto.
Paso inductivo: Asumimos \( P_3(n) \) y \( P_3(m) \) para ciertos \( n,m\in S \) (podría ser eventualmente \( n=m \), no importa) y hay que probar \( P_3(3+m+n) \). La demostración es simpe. Por hipótesis inductiva sabemos que existe una palabra \( \alpha_1\in \Gamma \) tal que el largo de \( \alpha_1 \) es \( n \) y que existe otra palabra \( \alpha_2\in \Gamma \) tal que el largo de \( \alpha_2 \) es \( m \). Por la regla \( \textrm{iii} \) de construcción de \( \Gamma \) sabemos que \( b\alpha_1 c \alpha_2 b\in \Gamma \) y el largo de esta palabra es el largo de \( \alpha_1 \) más el largo de \( \alpha_2 \) más tres, ya que esta nueva palabra tiene, además de las letras que conforman a \( \alpha_1 \) y \( \alpha_2 \), a las letras \( b,c,b \). En consecuencia, tenemos que la palabra \( b\alpha_1 c \alpha_2 b \) (que sabemos que pertenece al lenguaje \( \Gamma \) por \( \textrm{iii} \)) tiene \( 3+n+m \) letras, por lo tanto es cierto \( P_3(3+n+m) \) que es lo que se quería probar.
Ahora bien, por el principio de inducción primitiva para \( S \) sabemos que la propiedad se cumple para todo \( n\in S \). Pero nosotros queríamos probar que la propiedad se cumplía para todos los naturales menos el 2. ¿No habría que demostrar formalmente que \( S=\mathbb{N}-\{2\} \)? ¿Cómo sería tal demostración?
En el teórico nos dijeron: "Se puede definir el conjunto de los números naturales \( \mathbb{N} \) mediante las siguientes reglas:"
\( \begin{array}{ll} \mbox{ I } & 0\in \mathbb{N} \\ \mbox{ II } & \mbox{Si $n\in \mathbb{N}$, entonces $n+1\in \mathbb{N}$} \end{array} \)
Ahora bien, \( \mathbb{N} \) no es el único conjunto que satisface \( \textrm{I} \) y \( \textrm{II} \), pues por ejemplo \( \mathbb{Z} \) o \( \mathbb{Q} \) también las satisfacen. Me han constestado que en realidad, cada vez que se da un conjunto inductivo por reglas, ha de interpretarse como el
menor conjunto que satisface dichas reglas. ¿Pero menor en qué sentido? Intuyo que debe referirse a que sólo lo integran los elementos comunes a todos los conjuntos que cumplen con las reglas. O dicho de otra manera, si \( \mathcal{A} \) representa la familia de todos los conjuntos que cumplen simultáneamente con \( \textrm{I} \) y \( \textrm{II} \), se estaría definiendo \( \mathbb{N}=\bigcap_{A\in \mathcal{A}}A \). ¿Es ésto correcto? En caso de serlo, ¿cómo se corrobora ese hecho? Hmmm aunque si se toma por definición, es así y punto. No hay nada que demostrar. En tal caso, ¿es ésa es una definición válida de los naturales? ¿Coincide con la idea intuitiva que nosotros tenemos de los números \( 0,1,2,\dots \)? Parece tan simple enumerarlos...
¿Y si se traslada a \( \Gamma \)? ¿Cómo sé que \( \Gamma=\{\epsilon,\ a,\ bcb,\ bacb,\ bcab,\ bacab,\dots\} \)? ¿Qué me asegura que \( \Gamma \) es exactamente ese conjunto?
Bueno, espero haber sido lo suficientemente claro y que me puedan aclarar estos puntos. Esta parte introductoria se nos da para luego introducir el lenguaje de la lógica proposicional en forma inductiva. El libro que se sigue es
Logic and Structure de Dirk van Dalen.
Muchas gracias por todo.
Saludos