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Diagrama de Euler

Diagrama de Euler que ilustra que el conjunto de "animales con cuatro patas" es un subconjunto de "animales", pero el conjunto de "minerales" es un conjunto disjunto (no tiene miembros en común) con "animales".
Diagrama de Euler que muestra las relaciones entre los diferentes objetos del Sistema Solar

Un diagrama de Euler ( /ˈɔɪlər / , OY -lər ) es un medio diagramático para representar conjuntos y sus relaciones. Son particularmente útiles para explicar jerarquías complejas y definiciones superpuestas. Son similares a otra técnica de diagramación de conjuntos, los diagramas de Venn . A diferencia de los diagramas de Venn, que muestran todas las relaciones posibles entre diferentes conjuntos, los diagramas de Euler muestran solo las relaciones relevantes.

El primer uso de los "círculos eulerianos" se atribuye comúnmente al matemático suizo Leonhard Euler (1707-1783). En los Estados Unidos, tanto los diagramas de Venn como los de Euler se incorporaron como parte de la enseñanza de la teoría de conjuntos como parte del movimiento de las nuevas matemáticas de la década de 1960. Desde entonces, también se han adoptado en otros campos curriculares, como la lectura [1], así como en organizaciones y empresas.

Los diagramas de Euler consisten en formas simples cerradas en un plano bidimensional , cada una de las cuales representa un conjunto o categoría. La forma en que estas formas se superponen o no demuestra las relaciones entre los conjuntos. Cada curva divide el plano en dos regiones o "zonas": el interior, que representa simbólicamente los elementos del conjunto, y el exterior, que representa todos los elementos que no son miembros del conjunto. Las curvas que no se superponen representan conjuntos disjuntos , que no tienen elementos en común. Dos curvas que se superponen representan conjuntos que se intersecan , que tienen elementos comunes; la zona dentro de ambas curvas representa el conjunto de elementos comunes a ambos conjuntos (la intersección de los conjuntos). Una curva completamente dentro del interior de otra es un subconjunto de ella.

Los diagramas de Venn son una forma más restrictiva de los diagramas de Euler. Un diagrama de Venn debe contener las 2 n zonas lógicamente posibles de superposición entre sus n curvas, que representan todas las combinaciones de inclusión/exclusión de sus conjuntos constituyentes. Las regiones que no forman parte del conjunto se indican coloreándolas de negro, a diferencia de los diagramas de Euler, donde la pertenencia al conjunto se indica mediante la superposición y el color.

Historia

Una página de las Lecciones de lógica de Hamilton ; los símbolos A , E , I y O se refieren a cuatro tipos de enunciados categóricos que pueden aparecer en un silogismo (ver descripciones, a la izquierda). El pequeño texto a la izquierda dice erróneamente: "El primer empleo de diagramas circulares en lógica atribuido incorrectamente a Euler. Se encuentra en Christian Weise", un libro que en realidad fue escrito por Johann Christian Lange. [2] [3]
El diagrama de la derecha es de Couturat [4] (p. 74) en el que etiqueta las 8 regiones del diagrama de Venn. El nombre moderno para las "regiones" es minterms . Se muestran en el diagrama con las variables x , y y z según el dibujo de Venn. El simbolismo es el siguiente: el AND lógico [ & ] se representa mediante la multiplicación aritmética, y el NOT lógico [ ¬ ] se representa mediante " ' " después de la variable, por ejemplo, la región x ' y ' z se lee como "( NO x ) Y ( NO y ) Y z ", es decir x ) & (¬ y ) & z .
Tanto el diagrama de Veitch como el mapa de Karnaugh muestran todos los mintérminos , pero el de Veitch no es particularmente útil para la reducción de fórmulas. Observe la gran similitud entre los diagramas de Venn y Karnaugh; los colores y las variables x , y y z son los del ejemplo de Venn.

Como se muestra en la ilustración de la derecha, Sir William Hamilton afirmó erróneamente que el uso original de los círculos para "sensualizar... las abstracciones de la lógica" [5] no fue de Euler (1707-1783) sino de Weise (1642-1708); [6] sin embargo, el último libro fue escrito en realidad por Johann Christian Lange, en lugar de Weise. [2] [3] Hace referencia a las Cartas a una princesa alemana de Euler . [7] [a]

En la ilustración de Hamilton de las cuatro proposiciones categóricas [8] que pueden aparecer en un silogismo , simbolizadas por los dibujos A , E , I y O , son:

A : LaAfirmativa Universal
Ejemplo: "Todos los metales son elementos".
E : ElNegativo Universal
Ejemplo: “Ningún metal es una sustancia compuesta”.
Yo : LaAfirmativa Particular
Ejemplo: “Algunos metales son frágiles”.
O : ElNegativo Particular
Ejemplo: “Algunos metales no son frágiles”. [8]

Venn (1834-1923) comenta sobre la notable prevalencia del diagrama de Euler:

"... de los primeros sesenta tratados lógicos, publicados durante el último siglo aproximadamente, que fueron consultados para este propósito –un poco al azar, ya que resultaron ser los más accesibles–, pareció que treinta y cuatro recurrían a la ayuda de diagramas, casi todos ellos haciendo uso del esquema euleriano ." [9]
Composición de dos páginas de Venn (1881a), págs. 115-116, que muestra su ejemplo de cómo convertir un silogismo de tres partes en su tipo de diagrama; Venn llama a los círculos "círculos eulerianos" [10]

Pero, sin embargo, sostuvo "la inaplicabilidad de este esquema para los propósitos de una lógica realmente general" [9] (p. 100) y luego señaló que,

“Encaja, aunque mal, incluso con las cuatro proposiciones de la lógica común a las que normalmente se aplica.” [9] (p. 101)

Venn termina su capítulo con la observación ilustrada en los ejemplos siguientes: que su uso se basa en la práctica y la intuición, no en una práctica algorítmica estricta:

“De hecho... esos diagramas no sólo no encajan en el esquema ordinario de proposiciones que se emplean para ilustrar, sino que no parecen tener ningún esquema reconocido de proposiciones al que podrían afiliarse consistentemente”. [9] (pp 124-125)

Finalmente, en su Venn llega a una crítica crucial (en cursiva en la cita siguiente); observe en la ilustración de Hamilton que la O ( Particular Negativa ) y la I ( Particular Afirmativa ) simplemente están rotadas:

“Llegamos ahora a los conocidos círculos de Euler, que fueron descritos por primera vez en sus Lettres a une Princesse d'Allemagne ( Cartas 102-105). [7] (pp 102-105) El punto débil de estos consiste en el hecho de que sólo ilustran en sentido estricto las relaciones reales de las clases entre sí, en lugar del conocimiento imperfecto de estas relaciones que podemos poseer, o desear transmitir, por medio de la proposición. En consecuencia, no encajarán con las proposiciones de la lógica común, sino que exigirán la constitución de un nuevo grupo de proposiciones elementales apropiadas. ... Este defecto debe haberse notado desde el principio en el caso de la afirmativa y la negativa particulares, ya que el mismo diagrama se utiliza comúnmente para representarlas a ambas, lo que hace indiferentemente bien ”. [cursiva añadida] [11] [9] (p 100, nota al pie 1) [b]

Sea como fuere, con estas observaciones y críticas, Venn [9] (pp 100-125) demuestra cómo derivó lo que se conoce como sus diagramas de Venn a partir de los “... antiguos diagramas de Euler”. En particular, Venn da un ejemplo, que se muestra a la izquierda.

En 1914, Couturat (1868-1914) había etiquetado los términos como se muestra en el dibujo de la derecha. [4] Además, también había etiquetado la región exterior (mostrada como a ' b ' c '). Explica sucintamente cómo utilizar el diagrama: hay que eliminar las regiones que deben desaparecer:

"El método de Venn se traduce en diagramas geométricos que representan todos los constituyentes, de modo que, para obtener el resultado, sólo necesitamos eliminar (sombreando) aquellos que desaparecen según los datos del problema". [cursiva añadida] [4] (p. 73)

Dadas las asignaciones de Venn, entonces, las áreas no sombreadas dentro de los círculos se pueden sumar para obtener la siguiente ecuación para el ejemplo de Venn:

" NO y es z y TODO x es y : por lo tanto, NO x es z " tiene la ecuación x ' y z ' + x y z ' + x ' y ' z para el área no sombreada dentro de los círculos (pero esto no es del todo correcto; vea el siguiente párrafo).

En Venn, el fondo que rodea los círculos no aparece: es decir, el término marcado como "0", x ' y ' z '. En ninguna parte se habla de ello ni se lo etiqueta, pero Couturat lo corrige en su dibujo. [4] La ecuación correcta debe incluir esta área no sombreada que se muestra en negrita:

" NO y es z y TODO x es y : por lo tanto NO x es z " tiene la ecuación x ' y z ' + x y z ' + x ' y ' z + x ' y ' z ' .

En el uso moderno, el diagrama de Venn incluye una "caja" que rodea todos los círculos; esto se llama el universo del discurso o el dominio del discurso .

Couturat [4] observó que, de manera algorítmica directa (formal, sistemática), no se pueden derivar ecuaciones booleanas reducidas, ni tampoco muestra cómo llegar a la conclusión " NO x es z ". Couturat concluyó que el proceso "tiene... serios inconvenientes como método para resolver problemas lógicos":

"No muestra cómo se presentan los datos cancelando ciertos constituyentes, ni muestra cómo combinar los constituyentes restantes para obtener las consecuencias buscadas. En resumen, sólo sirve para mostrar un solo paso en el argumento, a saber, la ecuación del problema; no prescinde ni de los pasos anteriores, es decir, "la transformación del problema en una ecuación" y la transformación de las premisas, ni de los pasos posteriores, es decir, las combinaciones que conducen a las diversas consecuencias. Por lo tanto, es de muy poca utilidad, ya que los constituyentes pueden representarse mediante símbolos algebraicos tan bien como mediante regiones planas, y son mucho más fáciles de manejar en esta forma". [4] (p. 75)

Así, el asunto quedaría así hasta 1952, cuando Maurice Karnaugh (1924-2022) adaptaría y ampliaría un método propuesto por Edward W. Veitch ; este trabajo se basaría en el método de la tabla de verdad definido con precisión por Emil Post [12] y en la aplicación de la lógica proposicional a la lógica de conmutación por (entre otros) Shannon , Stibitz y Turing . [c] Por ejemplo, Hill y Peterson (1968) [13] presentan el diagrama de Venn con sombreado y todo. Dan ejemplos de diagramas de Venn para resolver problemas de circuitos de conmutación de ejemplo, pero terminan con esta afirmación:

"Para más de tres variables, la forma ilustrativa básica del diagrama de Venn es inadecuada. Sin embargo, son posibles extensiones, la más conveniente de las cuales es el mapa de Karnaugh, que se analizará en el Capítulo 6". [13] (p. 64)

En el Capítulo 6, sección 6.4 “Representación del mapa de Karnaugh de funciones booleanas” comienzan con:

"El mapa de Karnaugh 1 [ 1 Karnaugh 1953] es una de las herramientas más poderosas en el repertorio del diseñador lógico. ... Un mapa de Karnaugh puede considerarse como una forma pictórica de una tabla de verdad o como una extensión del diagrama de Venn". [13] (pp 103–104)

La historia del desarrollo del método de "gráfico" o "mapa" de Karnaugh es oscura. La cadena de citas se convierte en un juego académico de "crédito, crédito; ¿quién tiene el crédito?": Karnaugh (1953) hizo referencia a Veitch (1952), Veitch, hizo referencia a Shannon (1938), [14] y Shannon (1938), a su vez hizo referencia (entre otros autores de textos de lógica) a Couturat (1914). En el método de Veitch las variables se disponen en un rectángulo o cuadrado; como se describe en el mapa de Karnaugh , Karnaugh en su método cambió el orden de las variables para que se correspondan con lo que se ha conocido como (los vértices de) un hipercubo .

Relación entre los diagramas de Euler y Venn

Ejemplos de pequeños diagramas de Venn (a la izquierda) con regiones sombreadas que representan conjuntos vacíos , mostrando cómo pueden transformarse fácilmente en diagramas de Euler equivalentes (derecha)

Los diagramas de Venn son una forma más restrictiva de los diagramas de Euler. Un diagrama de Venn debe contener las 2 n zonas lógicamente posibles de superposición entre sus n curvas, que representan todas las combinaciones de inclusión/exclusión de sus conjuntos constituyentes. Las regiones que no forman parte del conjunto se indican coloreándolas de negro, a diferencia de los diagramas de Euler, donde la pertenencia al conjunto se indica mediante la superposición y el color. Cuando el número de conjuntos supera los 3, un diagrama de Venn se vuelve visualmente complejo, especialmente en comparación con el diagrama de Euler correspondiente. La diferencia entre los diagramas de Euler y Venn se puede ver en el siguiente ejemplo. Tomemos los tres conjuntos:

Los diagramas de Euler y Venn de esos conjuntos son:

En un contexto lógico, se puede utilizar la semántica de la teoría de modelos para interpretar los diagramas de Euler, dentro de un universo de discurso . En los ejemplos siguientes, el diagrama de Euler representa que los conjuntos Animal y Mineral son disjuntos ya que las curvas correspondientes son disjuntas, y también que el conjunto Four Legs es un subconjunto del conjunto de Animal s. El diagrama de Venn, que utiliza las mismas categorías de Animal , Mineral y Four Legs , no encapsula estas relaciones. Tradicionalmente, el vacío de un conjunto en los diagramas de Venn se representa mediante el sombreado en la región. Los diagramas de Euler representan el vacío ya sea mediante el sombreado o por la ausencia de una región.

A menudo se impone un conjunto de condiciones de buena formación; se trata de restricciones topológicas o geométricas impuestas a la estructura del diagrama. Por ejemplo, se puede imponer la conectividad de zonas, o se puede prohibir la concurrencia de curvas o de puntos múltiples, así como la intersección tangencial de curvas. En el diagrama adyacente, ejemplos de diagramas de Venn pequeños se transforman en diagramas de Euler mediante secuencias de transformaciones; algunos de los diagramas intermedios tienen concurrencia de curvas. Sin embargo, este tipo de transformación de un diagrama de Venn con sombreado en un diagrama de Euler sin sombreado no siempre es posible. Hay ejemplos de diagramas de Euler con 9 conjuntos que no se pueden dibujar utilizando curvas cerradas simples sin la creación de zonas no deseadas, ya que tendrían que tener gráficos duales no planos.

Ejemplo: diagrama de Euler a Venn y mapa de Karnaugh

Este ejemplo muestra los diagramas de Euler y Venn y el mapa de Karnaugh que derivan y verifican la deducción "No hay X que sea Z ". En la ilustración y la tabla se utilizan los siguientes símbolos lógicos:

Antes de que pueda ser presentado en un diagrama de Venn o Mapa de Karnaugh, el silogismo del diagrama de Euler "No Y es Z , Todo X es Y " debe ser primero reformulado en el lenguaje más formal del cálculo proposicional : " 'No es el caso que: Y Y Z' Y 'Si una X entonces una Y' ". Una vez que las proposiciones son reducidas a símbolos y una fórmula proposicional (~(y & z) & (x → y)), uno puede construir la tabla de verdad de la fórmula ; a partir de esta tabla el mapa de Venn y/o el mapa de Karnaugh se producen fácilmente. Mediante el uso de la adyacencia de los "1" en el mapa de Karnaugh (indicado por los óvalos grises alrededor de los términos 0 y 1 y alrededor de los términos 2 y 6) se puede "reducir" la ecuación booleana del ejemplo , es decir (x'y'z' + x'y'z) + (x'yz' + xyz') a sólo dos términos: x'y' + yz'. Pero los medios para deducir la noción de que "No hay X que sea Z", y cómo se relaciona la reducción con esta deducción, no se desprenden de este ejemplo.

Dada una conclusión propuesta como "No X es un Z ", se puede comprobar si es o no una deducción correcta mediante el uso de una tabla de verdad . El método más fácil es poner la fórmula inicial a la izquierda (abreviada como P ) y poner la (posible) deducción a la derecha (abreviada como Q ) y conectar las dos con una implicación lógica , es decir, PQ , que se lee como SI P ENTONCES Q. Si la evaluación de la tabla de verdad produce todos los 1 bajo el signo de implicación (→, el llamado conectivo mayor ), entonces PQ es una tautología . Dado este hecho, se puede "separar" la fórmula de la derecha (abreviada como Q ) de la manera descrita debajo de la tabla de verdad.

Dado el ejemplo anterior, la fórmula para los diagramas de Euler y Venn es:

"Ninguna Y es Z " y "Todas las X son Y ": ( ~(y & z) & (x → y) ) = P definido

Y la deducción propuesta es:

"No hay X que sean Z ": ( ~ (x & z) ) = Q definido

Ahora la fórmula a evaluar se puede abreviar a:

( ~(y y z) y (x → y) ) → ( ~ (x y z) ): PQ
SI ( "Ninguna Y es Z " y "Todas las X son Y ") ENTONCES ( "Ninguna X es Z ")

En este punto, la implicación anterior PQ (es decir, ~(y & z) & (x → y) ) → ~(x & z) ) sigue siendo una fórmula, y la deducción –la “separación” de Q de PQ– no ha ocurrido. Pero dada la demostración de que PQ es una tautología, el escenario está ahora listo para el uso del procedimiento de modus ponens para “separar” Q: “Ninguna X es Z ” y prescindir de los términos de la izquierda. [nb 1]

El modus ponens (o "la regla fundamental de inferencia" [15] ) se escribe a menudo de la siguiente manera: Los dos términos de la izquierda, PQ y P , se llaman premisas (por convención unidas por una coma), el símbolo ⊢ significa "rendimientos" (en el sentido de deducción lógica), y el término de la derecha se llama conclusión :

PQ , PQ

Para que el modus ponens tenga éxito, ambas premisas PQ y P deben ser verdaderas . Porque, como se demostró anteriormente, la premisa PQ es una tautología, la "verdad" siempre es el caso sin importar cómo se valoren x, y y z, pero la "verdad" solo es el caso para P en aquellas circunstancias en las que P se evalúa como "verdadera" (por ejemplo, filas 0 O 1 O 2 O 6 : x'y'z' + x'y'z + x'yz' + xyz' = x'y' + yz'). [nb 2]

PQ , PQ
  • es decir: ( ~(y & z) & (x → y) ) → ( ~ (x & z) ), ( ~(y & z) & (x → y) ) ⊢ ( ~ (x & z) )
  • es decir: SI "Ninguna Y es Z " y "Todas las X son Y " ENTONCES "Ninguna X es Z ", "Ninguna Y es Z " y "Todas las X son Y " ⊢ "Ninguna X es Z "

Ahora uno es libre de "separar" la conclusión "No hay X que sea Z ", tal vez para usarla en una deducción posterior (o como tema de conversación).

El uso de la implicación tautológica significa que existen otras posibles deducciones además de "No hay X que sean Z "; el criterio para una deducción exitosa es que los 1 bajo el conector submayor de la derecha incluyan todos los 1 bajo el conector submayor de la izquierda (el conector mayor es la implicación que resulta en la tautología). Por ejemplo, en la tabla de verdad, en el lado derecho de la implicación (→, el símbolo del conector mayor) la columna en negrita debajo del símbolo del conector submayor " ~ " tiene todos los mismos 1 que aparecen en la columna en negrita debajo del conector submayor del lado izquierdo & (filas 0 , 1 , 2 y 6 ), más dos más (filas 3 y 4 ).

Galería

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Diagrama de Euler que muestra las relaciones entre varias organizaciones y acuerdos multinacionales europeos

Véase también

Notas

  1. ^ Cuando se publicaron estas conferencias de Hamilton, éste ya había fallecido. Sus editores (marcados con ED .), responsables de la mayor parte del texto de las notas a pie de página, fueron los lógicos Henry Longueville Mansel y John Veitch .
  2. ^ Sandifer (2004) señala que el propio Euler también hace tales observaciones: Euler informa que su figura 45 (una simple intersección de dos círculos) tiene cuatro interpretaciones diferentes.
  3. ^ Véase la nota a pie de página en el artículo de George Stibitz .
  1. ^ Este es un concepto sofisticado. Russell y Whitehead (2.ª edición, 1927) en sus Principia Mathematica lo describen de esta manera: "La confianza en la inferencia es la creencia de que si las dos afirmaciones anteriores [las premisas P, P→Q] no son erróneas, la afirmación final no es errónea... Una inferencia es la eliminación de una premisa verdadera [sic]; es la disolución de una implicación" (p. 9). En "Primitive Ideas and Propositions" aparece una discusión más amplia de este tema como la primera de sus "proposiciones primitivas" (axiomas): *1.1 Todo lo que implica una proposición elemental verdadera es verdadero" (p. 94). En una nota a pie de página, los autores remiten al lector a los Principios de las matemáticas de Russell de 1903 , §38.
  2. ^ Reichenbach analiza el hecho de que la implicación PQ no tiene por qué ser una tautología (la llamada "implicación tautológica"). Incluso las implicaciones "simples" (conectivas o adjuntivas) funcionan, pero sólo para aquellas filas de la tabla de verdad que se evalúan como verdaderas, cf. Reichenbach 1947:64–66.

Referencias

  1. ^ "Estrategias para la comprensión lectora de diagramas de Venn". Archivado desde el original el 29 de abril de 2009. Consultado el 20 de junio de 2009 .
  2. ^ ab Venn, John (1881). Lógica simbólica. Londres: MacMillan and Co. pág. 509.
  3. ^ ab Mac Queen, Gailand (octubre de 1967). The Logic Diagram (PDF) (Tesis). Universidad McMaster . p. 5. Archivado desde el original (PDF) el 2017-04-14 . Consultado el 2017-04-14 .(NB. Tiene una historia detallada de la evolución de los diagramas lógicos, incluido, entre otros, el diagrama de Euler).
  4. ^ abcdef Couturat (1914), págs.73, 75
  5. ^ Hamilton, WR (1858–1860). Lecciones sobre metafísica y lógica . pág. 180.
  6. ^ Weise, C. (1712). Nucleus Logicae Weisianae [ Núcleo de la lógica weissiana ] (en latín).— Publicado 4 años después de la muerte de Weise.
  7. ^ ab Euler, LP (1842) [17 de febrero de 1791]. "Parte II, Letra XXXV". En Cournot (ed.). Lettres a une Princesse d'Allemagne [ Cartas a una princesa alemana ] (en francés). págs. 412–417.
  8. ^ ab Hamilton (1860), pág. 179; estos ejemplos son de Jevons (1880), pp. 71 y siguientes.
  9. ^ abcdefghi Venn, J. (1881a). "Capítulo V – Representación diagramática". Lógica simbólica . pág. 100, nota al pie 1.
  10. ^ cf Sandifer (2004) Venn (1881a), pp. 114 y siguientes; [9] en el "esquema euleriano" Venn (1881a), p. 100 [9] de los "diagramas eulerianos a la antigua usanza" Venn (1881a), p. 113 [9]
  11. ^ Venn, J. (1881b). "Capítulo XX – Notas históricas". Lógica simbólica . pág. 424.}
  12. ^ Post, E. (1921). Introducción a una teoría general de proposiciones elementales (tesis doctoral).
  13. ^ abc Hill & Peterson (1968) [1964]. "La teoría de conjuntos como ejemplo de álgebra de Boole". Álgebra de Boole . secciones 4.5 y siguientes .
  14. ^ Shannon, CE (1938). [sin título citado]: En efecto, tesis de maestría de Shannon (Informe). MIT
  15. ^ Véase Reichenbach 1947:64


Fuentes

Lectura adicional

Por fecha de publicación:

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