(-a) × (-a) = a × a


121

Todos sabemos que (con suerte), pero ¿puedes probarlo?(a)×(a)=a×a

Su tarea es probar este hecho utilizando los axiomas del anillo. ¿Cuáles son los axiomas del anillo? Los axiomas de anillo son una lista de reglas que deben seguir dos operaciones binarias en un conjunto. Las dos operaciones son suma, y multiplicación, . Para este desafío, aquí están los axiomas de anillo donde y son operaciones binarias cerradas en algún conjunto , es una operación unaria cerrada en , y , , son miembros de :+×+×SSabcS

  1. a+(b+c)=(a+b)+c

  2. a+0=a

  3. a+(a)=0

  4. a+b=b+a *

  5. a×(b×c)=(a×b)×c

  6. a×1=a

  7. 1×a=a

  8. a×(b+c)=(a×b)+(a×c)

  9. (b+c)×a=(b×a)+(c×a)

Su prueba debe ser una serie de igualdades, cada una de las cuales es la aplicación de un axioma.

Puede aplicar los axiomas a la expresión completa o a alguna subexpresión. Por ejemplo, si tenemos podemos aplicar Axiom 4 solo al término , el término o la expresión completa como un todo. Las variables también pueden reemplazar expresiones arbitrariamente complejas, por ejemplo, podemos aplicar el axioma 4 a para obtener . En cada paso de la prueba solo puede aplicar un axioma a una expresión. Todos los axiomas son bidireccionales, lo que significa que la sustitución puede ir en cualquier dirección. Cosas como las siguientes no están permitidas(a+c)+(b+c)(b+c)(a+c)((a×c)+b)+((a)+1)((a)+1)+((a×c)+b)

(a + b) + (c + d) = (a + (b + c)) + d Ax. 1

Esto debe hacerse en dos pasos:

(a + b) + (c + d) = ((a + b) + c) + d Ax. 1
                  = (a + (b + c)) + d Ax. 1

Los hechos que normalmente daría por sentado pero que no figuran en la lista de axiomas no se pueden suponer , por ejemplo es verdadero pero requiere múltiples pasos para realizar la preforma.(a)=(1)×a

El usuario Anthony ha proporcionado amablemente un validador de prueba en línea que se puede utilizar como reemplazo de TIO.

Prueba de ejemplo

Aquí hay una prueba de ejemplo de que con los axiomas utilizados etiquetados a la derecha de cada paso.(a)=a

 -(-a) = (-(-a)) + 0          Ax. 2
       = 0 + (-(-a))          Ax. 4
       = (a + (-a)) + (-(-a)) Ax. 3
       = a + ((-a) + (-(-a))) Ax. 1
       = a + 0                Ax. 3
       = a                    Ax. 2

Pruébalo en línea!

Tendrás la tarea de probar usando sustitución sucesiva como la que se muestra arriba.(a)×(a)=a×a

Puntuación

Esta es una por lo que sus respuestas se puntuarán en número de pasos dados para pasar de a , con una puntuación más baja mejor.(a)×(a)a×a

Lemas

Algunas respuestas han optado por usar Lemmas en sus pruebas, por lo que describiré cómo se debe calificar para evitar cualquier confusión. Para los no iniciados, los lemmas son pruebas de hechos que usará más adelante en la prueba. En matemáticas reales, pueden ser útiles para organizar sus pensamientos o transmitir información claramente al lector. En este desafío, usar lemas no debería tener un efecto directo en su puntaje. (Aunque la organización de pruebas puede facilitar o dificultar el golf)

Si opta por usar lemas, le costará tantos pasos como sea necesario para probar ese lema en primer lugar cada vez que lo use. Por ejemplo, aquí está el desglose de la puntuación de una prueba usando lemas.

Lemma:
a × 0 = 0

Proof (7 steps):
a × 0 = (a × 0) + 0                        Ax. 2 (1)
      = (a × 0) + ((a × b) + (-(a × b)))   Ax. 3 (1)
      = ((a × 0) + (a × b)) + (-(a × b))   Ax. 1 (1)
      = (a × (0 + b)) + (-(a × b))         Ax. 8 (1)
      = (a × (b + 0)) + (-(a × b))         Ax. 4 (1)
      = (a × b) + (-(a × b))               Ax. 2 (1)
      = 0                                  Ax. 3 (1)

Theorem:
(a × 0) + (b × 0) = 0

Proof (15 steps):
(a × 0) + (b × 0) = 0 + (b × 0)  Lemma (7)
                  = (b × 0) + 0  Ax. 4 (1)
                  = b × 0        Ax. 2 (1)
                  = 0            Lemma (7)

*: Se ha señalado que este axioma no es estrictamente necesario para probar esta propiedad, sin embargo, todavía puede usarlo.

†: Dado que no aparece en la igualdad deseada, cualquier prueba que use estos axiomas no es mínima. Es decir, estos axiomas no pueden ayudar a probar el hecho deseado. Se han incluido solo en aras de la integridad.1


8
¿Se supone que un programa que escribimos resuelve esto, o simplemente imprime la respuesta?
Tahg

8
@Tahg Se supone que debes probarlo y enviar tu prueba como respuesta. Esto es diferente de la mayoría de los problemas (si no todos) que verá aquí.
HyperNeutrino

8
Me acerqué frustrantemente antes de darme cuenta de que a * 0 = 0 no está en la lista de axiomas.
Sparr

8
Erm ... podría estar equivocado, pero ¿no es así fuera de tema? ¿No deberían las respuestas contener código?
Totalmente humano

35
@icrieverytim si ayuda, piense en la lista de axiomas como un lenguaje de programación con nueve funciones de sustitución de parámetros incorporadas, y este es un código de golf para una función que convierte una entrada específica en una salida específica.
Sparr

Respuestas:


47

18 pasos

(-a)*(-a) = ((-a)*(-a))+0                                             Axiom 2
          = ((-a)*(-a))+(((a*a)+(a*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a)))))        Axiom 3
          = (((-a)*(-a))+((a*a)+(a*(-a))))+(-((a*a)+(a*(-a))))        Axiom 1
          = (((a*a)+(a*(-a)))+((-a)*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a))))        Axiom 4
          = ((a*a)+((a*(-a))+((-a)*(-a))))+(-((a*a)+(a*(-a))))        Axiom 1
          = ((a*a)+((a+(-a))*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a))))               Axiom 9
          = ((a*a)+(0*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a))))                      Axiom 3
          = ((a*(a+0))+(0*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a))))                  Axiom 2
          = ((a*(a+(a+(-a))))+(0*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a))))           Axiom 3
          = (((a*a)+(a*(a+(-a))))+(0*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a))))       Axiom 8
          = ((a*a)+((a*(a+(-a)))+(0*(-a))))+(-((a*a)+(a*(-a))))       Axiom 1
          = (a*a)+(((a*(a+(-a)))+(0*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a)))))       Axiom 1
          = (a*a)+((((a*a)+(a*(-a)))+(0*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a)))))   Axiom 8
          = (a*a)+(((a*a)+((a*(-a))+(0*(-a))))+(-((a*a)+(a*(-a)))))   Axiom 1
          = (a*a)+(((a*a)+((a+0)*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a)))))          Axiom 9
          = (a*a)+(((a*a)+(a*(-a)))+(-((a*a)+(a*(-a)))))              Axiom 2
          = (a*a)+0                                                   Axiom 3
          = a*a                                                       Axiom 2

Escribí un programa para verificar mi solución. Entonces, si encuentra un error en esto, entonces mi programa también está equivocado.


@Etoplay Solo por curiosidad, ¿escribiste tu programa en Prolog?
Jalil Compaoré

23
Sería genial si pudieras incluir tu programa. Ciertamente podría ayudar a verificar otras soluciones.
Sriotchilism O'Zaic

2
¿Cómo pasaste de la primera línea a la segunda simplemente aplicando un axioma una vez?
SztupY

44
@SztupY Axiom 3 se v + (-v) = 0deja v = ((a*a)+(a*(-a))y llegas en 1 paso.
MT0


29

18 pasos

Diferente de la solución de 18 pasos ya publicada.

a*a = a*a + 0                                                 A2
    = a*a + ((a*(-a) + a*(-a)) + (-(a*(-a) + a*(-a))))        A3
    = (a*a + (a*(-a) + a*(-a))) + (-(a*(-a) + a*(-a)))        A1
    = (a*a + a*((-a) + (-a))) + (-(a*(-a) + a*(-a)))          A8
    = a*(a + ((-a) + (-a))) + (-(a*(-a) + a*(-a)))            A8
    = a*((a + (-a)) + (-a)) + (-(a*(-a) + a*(-a)))            A1
    = a*(0 + (-a)) + (-(a*(-a) + a*(-a)))                     A3
    = a*((-a) + 0) + (-(a*(-a) + a*(-a)))                     A4
    = a*(-a) + (-(a*(-a) + a*(-a)))                           A2
    = (a + 0)*(-a) + (-(a*(-a) + a*(-a)))                     A2
    = (a + (a + (-a)))*(-a) + (-(a*(-a) + a*(-a)))            A3
    = ((a + a) + (-a))*(-a) + (-(a*(-a) + a*(-a)))            A1
    = ((-a) + (a + a))*(-a) + (-(a*(-a) + a*(-a)))            A4
    = ((-a)*(-a) + (a + a)*(-a)) + (-(a*(-a) + a*(-a)))       A9
    = ((-a)*(-a) + (a*(-a) + a*(-a))) + (-(a*(-a) + a*(-a)))  A9
    = (-a)*(-a) + ((a*(-a) + a*(-a)) + (-(a*(-a) + a*(-a))))  A1
    = (-a)*(-a) + 0                                           A3
    = (-a)*(-a)                                               A2

Es interesante ver a alguien hacerlo al revés. Todos los pasos son reversibles, así que esta es una buena prueba.
Sriotchilism O'Zaic

Que se invierta es sobre todo accidental. La prueba es en realidad bastante simétrica: utilizo dos secuencias de pasos similares para llegar desde cualquier extremo hasta el término medio a*(-a) + stuff.
Emil Jeřábek


28

29 26 pasos

¡Sin lemas!

Comenta si ves algo mal. (Es muy fácil cometer un error)

(-a) × (-a) = ((-a) + 0) × (-a)                                                  Ax. 2
            = ((-a) + (a + (-a))) × (-a)                                         Ax. 3
            = ((a + (-a)) + (-a)) × (-a)                                         Ax. 4
            = (a + ((-a) + (-a))) × (-a)                                         Ax. 1
            = (a × (-a)) + (((-a) + (-a)) × (-a))                                Ax. 9
            = (a × ((-a) + 0)) + (((-a) + (-a)) × (-a))                          Ax. 2
            = (a × ((-a) + (a + (-a)))) + (((-a) + (-a)) × (-a))                 Ax. 3
            = (a × ((a + (-a)) + (-a))) + (((-a) + (-a)) × (-a))                 Ax. 4
            = (a × (a + ((-a) + (-a)))) + (((-a) + (-a)) × (-a))                 Ax. 1
            = ((a × a) + (a × ((-a) + (-a)))) + (((-a) + (-a)) × (-a))           Ax. 8
            = (a × a) + ((a × ((-a) + (-a))) + (((-a) + (-a)) × (-a)))           Ax. 1
            = (a × a) + (((a × (-a)) + (a × (-a))) + (((-a) + (-a)) × (-a)))     Ax. 8
            = (a × a) + (((a + a) × (-a)) + (((-a) + (-a)) × (-a)))              Ax. 9
            = (a × a) + (((a + a) + ((-a) + (-a))) × (-a))                       Ax. 9
            = (a × a) + ((((a + a) + (-a)) + (-a)) × (-a))                       Ax. 1
            = (a × a) + (((a + (a + (-a))) + (-a)) × (-a))                       Ax. 1
            = (a × a) + (((a + 0) + (-a)) × (-a))                                Ax. 3
            = (a × a) + ((a + (-a)) × (-a))                                      Ax. 2
            = (a × a) + (0 × (-a))                                               Ax. 3
            = (a × a) + ((0 × (-a)) + 0)                                         Ax. 2
            = (a × a) + ((0 × (-a)) + ((0 × (-a)) + (-(0 × (-a)))))              Ax. 3
            = (a × a) + (((0 × (-a)) + (0 × (-a))) + (-(0 × (-a))))              Ax. 1
            = (a × a) + (((0 + 0) × (-a)) + (-(0 × (-a))))                       Ax. 9
            = (a × a) + ((0 × (-a)) + (-(0 × (-a))))                             Ax. 2
            = (a × a) + 0                                                        Ax. 3
            = (a × a)                                                            Ax. 2

El crédito va a Maltysen por 0 × (-a) = 0



14

18 pasos

No es la primera prueba de 18 pasos, pero es más simple que las otras.

(-a)*(-a)
= (-a)*(-a) + 0                             [Axiom 2]
= (-a)*(-a) + ((-a)*a + -((-a)*a))          [Axiom 3]
= ((-a)*(-a) + (-a)*a) + -((-a)*a)          [Axiom 1]
= ((-a)*(-a) + ((-a) + 0)*a) + -((-a)*a)    [Axiom 2]
= ((-a)*(-a) + ((-a)*a + 0*a)) + -((-a)*a)  [Axiom 9]
= (((-a)*(-a) + (-a)*a) + 0*a) + -((-a)*a)  [Axiom 1]
= ((-a)*((-a) + a) + 0*a) + -((-a)*a)       [Axiom 8]
= ((-a)*(a + (-a)) + 0*a) + -((-a)*a)       [Axiom 4]
= ((-a)*0 + 0*a) + -((-a)*a)                [Axiom 3]
= (0*a + (-a)*0) + -((-a)*a)                [Axiom 4]
= ((a + (-a))*a + (-a)*0) + -((-a)*a)       [Axiom 3]
= ((a*a + (-a)*a) + (-a)*0) + -((-a)*a)     [Axiom 9]
= (a*a + ((-a)*a + (-a)*0)) + -((-a)*a)     [Axiom 1]
= (a*a + (-a)*(a + 0)) + -((-a)*a)          [Axiom 8]
= (a*a + (-a)*a) + -((-a)*a)                [Axiom 2]
= a*a + ((-a)*a + -((-a)*a))                [Axiom 1]
= a*a + 0                                   [Axiom 3]
= a*a                                       [Axiom 2]

Validar


9
A2: (-a) x (-a) = ((-a) + 0) x (-a)
A3:             = ((-a) + (a + (-a))) x (-a)
A9:             = ((-a) x (-a)) + ((a + (-a)) x (-a))
A4:             = ((-a) x (-a)) + (((-a) + a) x (-a))
A9:             = ((-a) x (-a)) + (((-a) x (-a)) + (a x (-a)))
A1:             = (((-a) x (-a)) + ((-a) x (-a))) + (a x (-a))
A2:             = (((-a) x (-a)) + ((-a) x (-a))) + (a x ((-a) + 0))
A3:             = (((-a) x (-a)) + ((-a) x (-a))) + (a x ((-a) + (a + (-a))))
A8:             = (((-a) x (-a)) + ((-a) x (-a))) + ((a x (-a)) + (a x (a + (-a))))
A8:             = (((-a) x (-a)) + ((-a) x (-a))) + ((a x (-a)) + ((a x a) + (a x (-a))))
A4:             = (((-a) x (-a)) + ((-a) x (-a))) + ((a x (-a)) + ((a x (-a)) + (a x a)))
A1:             = (((-a) x (-a)) + ((-a) x (-a))) + (((a x (-a)) + (a x (-a))) + (a x a))
A8:             = ((-a) x ((-a) + (-a))) + (((a x (-a)) + (a x (-a))) + (a x a))
A8:             = ((-a) x ((-a) + (-a))) + ((a x ((-a) + (-a))) + (a x a))
A1:             = (((-a) x ((-a) + (-a))) + (a x ((-a) + (-a)))) + (a x a)
A9:             = (((-a) + a) x ((-a) + (-a))) + (a x a)
A4:             = ((a + (-a)) x ((-a) + (-a))) + (a x a)
Lemma:          = (0 x ((-a) + (-a))) + (a x a)
A3:             = 0 + (a x a)
A4:             = (a x a) + 0
A2:             = (a x a)

Lemma: 0 = 0 x a

A3: 0 = (0 x a) + (-(0 x a))
A2:   = ((0 + 0) x a) + (-(0 x a))
A9:   = ((0 x a) + (0 x a)) + (-(0 x a))
A1:   = (0 x a) + ((0 x a) + (-(0 x a)))
A3:   = (0 x a) + 0
A2:   = (0 x a)

27 26 pasos Gracias Funky Computer Man por notar una línea duplicada.


1
Bienvenido al sitio! No estoy seguro de por qué creas un lema solo para usarlo una vez, pero supongo que no va en contra de las reglas.
Sriotchilism O'Zaic

@ FunkyComputerMan ¡Gracias! Tienes razón; No estoy seguro de lo que estaba pensando cuando escribí ese lema ^^. Y gracias por tu edición y tu comentario.
Jalil Compaoré

1
@ JalilCompaoré Creo que puede guardar eso último A3comenzando por aplicar A2el segundo (-a) en lugar del primero. Sin embargo, no estoy seguro, ya que no tengo tiempo para resolverlo en este momento.
H.PWiz

7

6 + 7 + 7 + 6 + 3 = 29 pasos

Realmente espero no haber estropeado nada, deja un comentario si crees que lo hice.

Lemma 1. a*0=0 (6 steps)

0 = a*0 + -(a*0)  axiom 3
= a*(0+0) + -(a*0) axiom 2
= (a*0 + a*0) + -(a*0) axiom 8
= a*0 + (a*0 + -(a*0)) axiom 1
= a*0 + 0 axiom 3
= a*0 axiom 2

Lemma 2. a*(-b) = -(a*b) (7 steps)

a*(-b) = a*(-b) + 0 axiom 2
= a*(-b) + (a*b + -(a*b)) axiom 3
= (a*(-b) + a*b) + -(a*b) axiom 1
= a*(-b+b) + -(a*b) axiom 8
= a*0 + -(a*b) axiom 3
= 0 + -(a*b) lemma 1
= -(a*b) axiom 2

Lemma 3. (-a)*b = -(a*b) (7 steps)
    same as above

Lemma 4. -(-(a)) = a (6 steps)

 -(-a) = (-(-a)) + 0    axiom 2
 = 0 + (-(-a))          axiom 4
 = (a + (-a)) + (-(-a)) axiom 3
 = a + ((-a) + (-(-a))) axiom 1
 = a + 0                axiom 3
 = a                    axiom 2

Theorem. -a*-a=0 (3 steps)

-a*-a = -(a*(-a)) lemma 3
= -(-(a*a)) lemma 2
= a*a lemma 4

Q.E.D.

3
Sin embargo
HyperNeutrino

11
"Teorema. -A * -a = 0" debería ser = a * a?
Sparr

2
@ H.PWiz No tengo ningún problema con las personas que usan lemas, pero cuestan tantos pasos como largos cada vez que se usan. Recomendaría no usarlos porque pueden obstaculizar las optimizaciones, pero en lo que a mí respecta, esta publicación está bien.
Sriotchilism O'Zaic

44
ir de "0 + - (a * b)" a "- (a * b)" en una sola aplicación del axioma 2 no es correcto. necesitas usar el axioma 4 para intercambiar los lados del + primero.
Sparr

2
La forma en que lo leí es el lema 2/3 son 6 pasos más una instancia del lema 1 para 12 pasos, el lema 4 es 6 pasos, para un total de 30 pasos. ¿Me estoy perdiendo de algo?
Tahg

6

23 pasos

(-a) * (-a) = ((-a) * (-a)) + 0                                 ✔ axiom 2
            = ((-a) * (-a)) + (((-a) * a) + -((-a) * a))        ✔ axiom 3
            = (((-a) * (-a)) + (-a) * a) + -((-a) * a)          ✔ axiom 1
            = (-a) * (-a + a) + -((-a) * a)                     ✔ axiom 8
            = (-a) * (a + (-a)) + -((-a) * a)                   ✔ axiom 4
            = ((-a) * 0) + -((-a) * a)                          ✔ axiom 3
            = (((-a) * 0) + 0) + -((-a) * a)                    ✔ axiom 2
            = ((-a) * 0 + ((-a)*0 + -((-a)*0))) + -((-a) * a)   ✔ axiom 3
            = (((-a) * 0 + (-a)*0) + -((-a)*0)) + -((-a) * a)   ✔ axiom 1
            = ((-a) * (0 + 0) + -((-a)*0)) + -((-a) * a)        ✔ axiom 8
            = ((-a) * 0 + -((-a)*0)) + -((-a) * a)              ✔ axiom 2
            = 0 + -((-a) * a)                                   ✔ axiom 3
            = (0* a) + -(0*a) + -((-a) * a)                     ✔ axiom 3
            = ((0+0)* a) + -(0*a) + -((-a) * a)                 ✔ axiom 2
            = ((0 * a ) + (0*a) + -(0*a)) + -((-a) * a)         ✔ axiom 9
            = ((0 * a ) + ((0*a) + -(0*a))) + -((-a) * a)       ✔ axiom 1
            = ((0 * a ) + 0) + -((-a) * a)                      ✔ axiom 3
            = (0 * a ) + -((-a) * a)                            ✔ axiom 2
            = ((a + -a) * a ) + -((-a) * a)                     ✔ axiom 3
            = ((a * a) + (-a) * a) + -((-a) * a)                ✔ axiom 9
            = (a * a) + (((-a) * a) + -((-a) * a))              ✔ axiom 1
            = (a * a) + 0                                       ✔ axiom 3
            = a * a                                             ✔ axiom 2

Pruébalo en línea!

Sí, leíste bien, he escrito un corrector de pruebas para este rompecabezas (naturalmente, existe la posibilidad de que el corrector en sí esté equivocado)


5

34 pasos

Lemma 1: 0=0*a (8 steps)
    0
A3: a*0 + -(a*0)
A4: -(a*0) + a*0
A2: -(a*0) + a*(0+0)
A8: -(a*0) + (a*0 + a*0)
A1: (-(a*0) + a*0) + a*0
A3: 0 + a*0
A4: a*0 + 0
A2: a*0

Theorem: -a*-a = a*a (49 steps)

    -a * -a
A2: (-a+0) * -a
A2: (-a+0) * (-a+0)
A3: (-a+(a+-a)) * (-a+0)
A3: (-a+(a+-a)) * (-a+(a+-a))
A8: -a*(-a+(a+-a)) + (a+-a)*(-a+(a+-a))
A8: -a*(-a+(a+-a)) + -a*(-a+(a+-a)) + a*(-a+(a+-a))
A3: -a*(-a+0)      + -a*(-a+(a+-a)) + a*(-a+(a+-a))
A3: -a*(-a+0)      + -a*(-a+0)      + a*(-a+(a+-a))
A8: -a*(-a+0)      + -a*(-a+0)      + a*-a + a*(a+-a)
A8: -a*(-a+0)      + -a*(-a+0)      + a*-a + a*a + a*-a
A2: -a*-a          + -a*(-a+0)      + a*-a + a*a + a*-a
A2: -a*-a          + -a*-a          + a*-a + a*a + a*-a
A8: -a*-a          + (-a+a)*-a             + a*a + a*-a
A3: -a*-a          + 0*-a                  + a*a + a*-a
L1: -a*-a          + 0                     + a*a + a*-a
A2: -a*-a                                  + a*a + a*-a
A4: a*a + -a*-a + a*-a
A8: a*a + (-a+a)*-a
A3: a*a + 0*-a
L1: a*a + 0
A2: a*a

1
Estoy notando la falta de padres después de un tiempo. Debido a que la asociación cuesta pasos, creo que sería más fácil verificar su prueba si incluyera a los padres.
Sriotchilism O'Zaic

Todavía estoy mejorando y actualizando. Intentaré incluir a todos los padres cuando termine.
Sparr

5

25 pasos

Nota: según la pregunta, supongo que las reglas de la lógica (incluida la igualdad) están implícitas y no cuentan para el recuento total de pasos. Es decir, cosas como "si x = y, entonces y = x" y "si ((P Y Q) Y R) entonces (P Y (Q Y R))" pueden usarse implícitamente.

Lemma Z [6 pasos] : 0*a = 0:

0 = (0*a) + (-(0*a))       | Ax. 3
  = ((0+0)*a) + (-(0*a))   | Ax. 2
  = (0*a + 0*a) + (-(0*a)) | Ax. 9
  = 0*a + (0*a + (-(0*a))) | Ax. 1
  = 0*a + (0)              | Ax. 3
  = 0*a                    | Ax. 2

Lema M [12 pasos] :(-a)*b = -(a*b)

(-a)*b = (-a)*b + 0                | Ax. 2
       = (-a)*b + (a*b + (-(a*b))) | Ax. 3
       = ((-a)*b + a*b) + (-(a*b)) | Ax. 5
       = ((-a)+a)*b + (-(a*b))     | Ax. 9
       = 0*b + (-(a*b))            | Ax. 3
       = 0 + (-(a*b))              | Lem. Z [6]
       = -(a*b)                    | Ax. 2

Teorema [25 pasos] :(-a)*(-a) = a*a

(-a)*(-a) = (-a)*(-a) + 0                | Ax. 2
          = 0 + (-a)*(-a)                | Ax. 4
          = (a*a + (-(a*a))) + (-a)*(-a) | Ax. 3
          = a*a + ((-(a*a)) + (-a)*(-a)) | Ax. 1
          = a*a + ((-a)*a + (-a)*(-a))   | Lem. M [12]
          = a*a + ((-a)*(a + (-a)))      | Ax. 8
          = a*a + ((-a)*0)               | Ax. 3
          = a*a + 0                      | Lem. Z [6]
          = a*a                          | Ax. 2

Siento que hay margen de mejora aquí; por ejemplo, uso la propiedad conmutativa de la suma, aunque parece que eso debería ser innecesario, ya que (-a)*(-a) = a*aes cierto en las estructuras algebraicas donde la suma no es conmutativa. Por otro lado, en esas estructuras, la identidad aditiva es conmutativa, y eso es todo lo que necesitaba para la prueba. No se. En términos más generales, la estructura de la prueba parece bastante sin dirección; Simplemente arrojé cosas al problema hasta que funcionó, así que apuesto a que hay algo de optimización por hacer.

Esto fue divertido, ¡gracias por la interesante y creativa pregunta OP! No he visto desafíos como estos antes; ¡con suerte convierte en una cosa!


Veo cómo el enfoque utilizado en Lemma Z podría hacer una prueba equivalente 0=(-a)*0en 6 pasos. Sin embargo, técnicamente merece su propio Lemma, ¿no?
SmileAndNod

4

22 23 pasos

Nueva respuesta, ya que mi anterior tenía defectos. Permítanme agregar algunos comentarios generales primero:

  • El problema no permite agregar términos en ambos lados de una ecuación; más bien, solo podemos modificar una cadena inicial.
  • No se supone que la multiplicación sea conmutativa.
  • Se nos da una unidad 1 , pero no juega ningún papel en el rompecabezas porque está involucrado exclusivamente en las reglas que lo definen.

Ahora para la prueba (aviso defino n = (-a) para simplificar la lectura):

(-a)×(-a) :=
n×n =
n×n + 0 =                                [Ax. 2]
n×n + [n×a + -(n×a)] =                   [Ax. 3]
[n×n + n×a] + -(n×a) =                   [Ax. 1]
[n×(n+a)] + -(n×a) =                     [Ax. 8]
[n×(n+a) + 0] + -(n×a) =                 [Ax. 2]
[n×(n+a) + (n×a + -(n×a))] + -(n×a) =    [Ax. 3]
[(n×(n+a) + n×a) + -(n×a)] + -(n×a) =    [Ax. 1]
[n×((n+a) + a) + -(n×a)] + -(n×a) =      [Ax. 8]
[n×((a+n) + a) + -(n×a)] + -(n×a) =      [Ax. 4]
[n×(0 + a) + -(n×a)] + -(n×a) =          [Ax. 3]
[n×(a + 0) + -(n×a)] + -(n×a) =          [Ax. 4]
[n×a + -(n×a)] + -(n×a) =                [Ax. 2]
[(n+0)×a + -(n×a)] + -(n×a) =            [Ax. 2]
[(0+n)×a + -(n×a)] + -(n×a) =            [Ax. 4]
[((a+n)+n)×a + -(n×a)] + -(n×a) =        [Ax. 3]
[((a+n)×a+n×a) + -(n×a)] + -(n×a) =      [Ax. 9]
[(a+n)×a+(n×a + -(n×a))] + -(n×a) =      [Ax. 1]
[(a+n)×a + 0] + -(n×a) =                 [Ax. 3]
[(a+n)×a] + -(n×a) =                     [Ax. 2]
[a×a+n×a] + -(n×a) =                     [Ax. 9]
a×a+[n×a + -(n×a)] =                     [Ax. 1]
a×a+0 =                                  [Ax. 3]
a×a                                      [Ax. 2]

@ H.PWiz ¿por qué no puedes pasar de na 0 + nen un solo paso? ¿No es eso solo A2? Las reglas dicen que las variables también pueden
reemplazar

@ jq170727 Axiom 2 solo indica que a + 0 = ano es eso 0 + a = a. Necesita un paso conmutativo adicional para llegar na 0 + n.
Sriotchilism O'Zaic

@ H.PWiz, ¿no puedes leer el axioma al revés?
jq170727

1
@ jq170727 No, tiene que usar la conmutatividad para eso.
Jalil Compaoré

4

304 pasos

Wiki de la comunidad porque esta prueba es generada por la función FindEquationalProof de Mathematica .

La prueba es bastante larga. Mathematica no sabe jugar golf.

Este es el código Mathematica que genera la prueba (requiere Mathematica 11.3), en donde p, t, nmedios +, ×, -respectivamente:

ringAxioms = {ForAll[{a, b, c}, p[a, p[b, c]] == p[p[a, b], c]],
   ForAll[a, p[a, 0] == a],
   ForAll[a, p[a, n[a]] == 0],
   ForAll[{a, b}, p[a, b] == p[b, a]],
   ForAll[{a, b, c}, t[a, t[b, c]] == t[t[a, b], c]],
   ForAll[a, t[a, 1] == a], ForAll[a, t[1, a] == a],
   ForAll[{a, b, c}, t[a, p[b, c]] == p[t[a, b], t[a, c]]],
   ForAll[{a, b, c}, t[p[b, c], a] == p[t[b, a], t[c, a]]]};

proof = FindEquationalProof[t[n[a], n[a]] == t[a, a], ringAxioms];

proof["ProofNotebook"]

No es fácil contar los pasos directamente, así que lo calculo por el número de caminos desde los axiomas hasta la conclusión en el "gráfico de prueba".

graph = proof["ProofGraph"];
score = Sum[
  Length[FindPath[graph, axiom, "Conclusion 1", Infinity, 
    All]], {axiom, 
   Select[VertexList[graph], StringMatchQ["Axiom " ~~ __]]}]

Pruébalo en línea!

Esta es la prueba generada por el código:

Axiom 1

We are given that:

x1==p[x1, 0]

Axiom 2

We are given that:

x1==t[x1, 1]

Axiom 3

We are given that:

x1==t[1, x1]

Axiom 4

We are given that:

p[x1, x2]==p[x2, x1]

Axiom 5

We are given that:

p[x1, p[x2, x3]]==p[p[x1, x2], x3]

Axiom 6

We are given that:

p[x1, n[x1]]==0

Axiom 7

We are given that:

p[t[x1, x2], t[x3, x2]]==t[p[x1, x3], x2]

Axiom 8

We are given that:

p[t[x1, x2], t[x1, x3]]==t[x1, p[x2, x3]]

Axiom 9

We are given that:

t[x1, t[x2, x3]]==t[t[x1, x2], x3]

Hypothesis 1

We would like to show that:

t[n[a], n[a]]==t[a, a]

Critical Pair Lemma 1

The following expressions are equivalent:

p[0, x1]==x1

Proof

Note that the input for the rule:

p[x1_, x2_]\[TwoWayRule]p[x2_, x1_]

contains a subpattern of the form:

p[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, 0]->x1

where these rules follow from Axiom 4 and Axiom 1 respectively.

Critical Pair Lemma 2

The following expressions are equivalent:

p[x1, p[n[x1], x2]]==p[0, x2]

Proof

Note that the input for the rule:

p[p[x1_, x2_], x3_]->p[x1, p[x2, x3]]

contains a subpattern of the form:

p[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, n[x1_]]->0

where these rules follow from Axiom 5 and Axiom 6 respectively.

Critical Pair Lemma 3

The following expressions are equivalent:

t[p[1, x1], x2]==p[x2, t[x1, x2]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[t[x1_, x2_], t[x3_, x2_]]->t[p[x1, x3], x2]

contains a subpattern of the form:

t[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

t[1, x1_]->x1

where these rules follow from Axiom 7 and Axiom 3 respectively.

Critical Pair Lemma 4

The following expressions are equivalent:

t[x1, p[1, x2]]==p[x1, t[x1, x2]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[t[x1_, x2_], t[x1_, x3_]]->t[x1, p[x2, x3]]

contains a subpattern of the form:

t[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

t[x1_, 1]->x1

where these rules follow from Axiom 8 and Axiom 2 respectively.

Critical Pair Lemma 5

The following expressions are equivalent:

t[p[1, x1], 0]==t[x1, 0]

Proof

Note that the input for the rule:

p[x1_, t[x2_, x1_]]->t[p[1, x2], x1]

contains a subpattern of the form:

p[x1_, t[x2_, x1_]]

which can be unified with the input for the rule:

p[0, x1_]->x1

where these rules follow from Critical Pair Lemma 3 and Critical Pair Lemma 1 respectively.

Critical Pair Lemma 6

The following expressions are equivalent:

t[0, 0]==t[1, 0]

Proof

Note that the input for the rule:

t[p[1, x1_], 0]->t[x1, 0]

contains a subpattern of the form:

p[1, x1_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, 0]->x1

where these rules follow from Critical Pair Lemma 5 and Axiom 1 respectively.

Substitution Lemma 1

It can be shown that:

t[0, 0]==0

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 6, and apply the substitution:

t[1, x1_]->x1

which follows from Axiom 3.

Critical Pair Lemma 7

The following expressions are equivalent:

t[x1, 0]==t[p[x1, 1], 0]

Proof

Note that the input for the rule:

t[p[1, x1_], 0]->t[x1, 0]

contains a subpattern of the form:

p[1, x1_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, x2_]\[TwoWayRule]p[x2_, x1_]

where these rules follow from Critical Pair Lemma 5 and Axiom 4 respectively.

Critical Pair Lemma 8

The following expressions are equivalent:

t[0, p[1, x1]]==t[0, x1]

Proof

Note that the input for the rule:

p[x1_, t[x1_, x2_]]->t[x1, p[1, x2]]

contains a subpattern of the form:

p[x1_, t[x1_, x2_]]

which can be unified with the input for the rule:

p[0, x1_]->x1

where these rules follow from Critical Pair Lemma 4 and Critical Pair Lemma 1 respectively.

Critical Pair Lemma 9

The following expressions are equivalent:

t[p[x1, 1], p[1, 0]]==p[p[x1, 1], t[x1, 0]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[x1_, t[x1_, x2_]]->t[x1, p[1, x2]]

contains a subpattern of the form:

t[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

t[p[x1_, 1], 0]->t[x1, 0]

where these rules follow from Critical Pair Lemma 4 and Critical Pair Lemma 7 respectively.

Substitution Lemma 2

It can be shown that:

t[p[x1, 1], 1]==p[p[x1, 1], t[x1, 0]]

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 9, and apply the substitution:

p[x1_, 0]->x1

which follows from Axiom 1.

Substitution Lemma 3

It can be shown that:

p[x1, 1]==p[p[x1, 1], t[x1, 0]]

Proof

We start by taking Substitution Lemma 2, and apply the substitution:

t[x1_, 1]->x1

which follows from Axiom 2.

Substitution Lemma 4

It can be shown that:

p[x1, 1]==p[x1, p[1, t[x1, 0]]]

Proof

We start by taking Substitution Lemma 3, and apply the substitution:

p[p[x1_, x2_], x3_]->p[x1, p[x2, x3]]

which follows from Axiom 5.

Critical Pair Lemma 10

The following expressions are equivalent:

t[0, x1]==t[0, p[x1, 1]]

Proof

Note that the input for the rule:

t[0, p[1, x1_]]->t[0, x1]

contains a subpattern of the form:

p[1, x1_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, x2_]\[TwoWayRule]p[x2_, x1_]

where these rules follow from Critical Pair Lemma 8 and Axiom 4 respectively.

Critical Pair Lemma 11

The following expressions are equivalent:

t[p[1, 0], p[x1, 1]]==p[p[x1, 1], t[0, x1]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[x1_, t[x2_, x1_]]->t[p[1, x2], x1]

contains a subpattern of the form:

t[x2_, x1_]

which can be unified with the input for the rule:

t[0, p[x1_, 1]]->t[0, x1]

where these rules follow from Critical Pair Lemma 3 and Critical Pair Lemma 10 respectively.

Substitution Lemma 5

It can be shown that:

t[1, p[x1, 1]]==p[p[x1, 1], t[0, x1]]

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 11, and apply the substitution:

p[x1_, 0]->x1

which follows from Axiom 1.

Substitution Lemma 6

It can be shown that:

p[x1, 1]==p[p[x1, 1], t[0, x1]]

Proof

We start by taking Substitution Lemma 5, and apply the substitution:

t[1, x1_]->x1

which follows from Axiom 3.

Substitution Lemma 7

It can be shown that:

p[x1, 1]==p[x1, p[1, t[0, x1]]]

Proof

We start by taking Substitution Lemma 6, and apply the substitution:

p[p[x1_, x2_], x3_]->p[x1, p[x2, x3]]

which follows from Axiom 5.

Substitution Lemma 8

It can be shown that:

p[x1, p[n[x1], x2]]==x2

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 2, and apply the substitution:

p[0, x1_]->x1

which follows from Critical Pair Lemma 1.

Critical Pair Lemma 12

The following expressions are equivalent:

n[n[x1]]==p[x1, 0]

Proof

Note that the input for the rule:

p[x1_, p[n[x1_], x2_]]->x2

contains a subpattern of the form:

p[n[x1_], x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, n[x1_]]->0

where these rules follow from Substitution Lemma 8 and Axiom 6 respectively.

Substitution Lemma 9

It can be shown that:

n[n[x1]]==x1

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 12, and apply the substitution:

p[x1_, 0]->x1

which follows from Axiom 1.

Critical Pair Lemma 13

The following expressions are equivalent:

x1==p[n[x2], p[x2, x1]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[x1_, p[n[x1_], x2_]]->x2

contains a subpattern of the form:

n[x1_]

which can be unified with the input for the rule:

n[n[x1_]]->x1

where these rules follow from Substitution Lemma 8 and Substitution Lemma 9 respectively.

Critical Pair Lemma 14

The following expressions are equivalent:

t[x1, x2]==p[n[x2], t[p[1, x1], x2]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[n[x1_], p[x1_, x2_]]->x2

contains a subpattern of the form:

p[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, t[x2_, x1_]]->t[p[1, x2], x1]

where these rules follow from Critical Pair Lemma 13 and Critical Pair Lemma 3 respectively.

Critical Pair Lemma 15

The following expressions are equivalent:

t[x1, x2]==p[n[x1], t[x1, p[1, x2]]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[n[x1_], p[x1_, x2_]]->x2

contains a subpattern of the form:

p[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, t[x1_, x2_]]->t[x1, p[1, x2]]

where these rules follow from Critical Pair Lemma 13 and Critical Pair Lemma 4 respectively.

Critical Pair Lemma 16

The following expressions are equivalent:

p[1, t[x1, 0]]==p[n[x1], p[x1, 1]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[n[x1_], p[x1_, x2_]]->x2

contains a subpattern of the form:

p[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, p[1, t[x1_, 0]]]->p[x1, 1]

where these rules follow from Critical Pair Lemma 13 and Substitution Lemma 4 respectively.

Substitution Lemma 10

It can be shown that:

p[1, t[x1, 0]]==1

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 16, and apply the substitution:

p[n[x1_], p[x1_, x2_]]->x2

which follows from Critical Pair Lemma 13.

Critical Pair Lemma 17

The following expressions are equivalent:

t[t[x1, 0], 0]==t[1, 0]

Proof

Note that the input for the rule:

t[p[1, x1_], 0]->t[x1, 0]

contains a subpattern of the form:

p[1, x1_]

which can be unified with the input for the rule:

p[1, t[x1_, 0]]->1

where these rules follow from Critical Pair Lemma 5 and Substitution Lemma 10 respectively.

Substitution Lemma 11

It can be shown that:

t[x1, t[0, 0]]==t[1, 0]

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 17, and apply the substitution:

t[t[x1_, x2_], x3_]->t[x1, t[x2, x3]]

which follows from Axiom 9.

Substitution Lemma 12

It can be shown that:

t[x1, 0]==t[1, 0]

Proof

We start by taking Substitution Lemma 11, and apply the substitution:

t[0, 0]->0

which follows from Substitution Lemma 1.

Substitution Lemma 13

It can be shown that:

t[x1, 0]==0

Proof

We start by taking Substitution Lemma 12, and apply the substitution:

t[1, x1_]->x1

which follows from Axiom 3.

Critical Pair Lemma 18

The following expressions are equivalent:

t[x1, t[0, x2]]==t[0, x2]

Proof

Note that the input for the rule:

t[t[x1_, x2_], x3_]->t[x1, t[x2, x3]]

contains a subpattern of the form:

t[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

t[x1_, 0]->0

where these rules follow from Axiom 9 and Substitution Lemma 13 respectively.

Critical Pair Lemma 19

The following expressions are equivalent:

p[1, t[0, x1]]==p[n[x1], p[x1, 1]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[n[x1_], p[x1_, x2_]]->x2

contains a subpattern of the form:

p[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, p[1, t[0, x1_]]]->p[x1, 1]

where these rules follow from Critical Pair Lemma 13 and Substitution Lemma 7 respectively.

Substitution Lemma 14

It can be shown that:

p[1, t[0, x1]]==1

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 19, and apply the substitution:

p[n[x1_], p[x1_, x2_]]->x2

which follows from Critical Pair Lemma 13.

Critical Pair Lemma 20

The following expressions are equivalent:

t[0, t[0, x1]]==t[0, 1]

Proof

Note that the input for the rule:

t[0, p[1, x1_]]->t[0, x1]

contains a subpattern of the form:

p[1, x1_]

which can be unified with the input for the rule:

p[1, t[0, x1_]]->1

where these rules follow from Critical Pair Lemma 8 and Substitution Lemma 14 respectively.

Substitution Lemma 15

It can be shown that:

t[0, x1]==t[0, 1]

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 20, and apply the substitution:

t[x1_, t[0, x2_]]->t[0, x2]

which follows from Critical Pair Lemma 18.

Substitution Lemma 16

It can be shown that:

t[0, x1]==0

Proof

We start by taking Substitution Lemma 15, and apply the substitution:

t[x1_, 1]->x1

which follows from Axiom 2.

Critical Pair Lemma 21

The following expressions are equivalent:

t[n[1], x1]==p[n[x1], t[0, x1]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[n[x1_], t[p[1, x2_], x1_]]->t[x2, x1]

contains a subpattern of the form:

p[1, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, n[x1_]]->0

where these rules follow from Critical Pair Lemma 14 and Axiom 6 respectively.

Substitution Lemma 17

It can be shown that:

t[n[1], x1]==p[n[x1], 0]

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 21, and apply the substitution:

t[0, x1_]->0

which follows from Substitution Lemma 16.

Substitution Lemma 18

It can be shown that:

t[n[1], x1]==n[x1]

Proof

We start by taking Substitution Lemma 17, and apply the substitution:

p[x1_, 0]->x1

which follows from Axiom 1.

Critical Pair Lemma 22

The following expressions are equivalent:

t[n[1], t[x1, x2]]==t[n[x1], x2]

Proof

Note that the input for the rule:

t[t[x1_, x2_], x3_]->t[x1, t[x2, x3]]

contains a subpattern of the form:

t[x1_, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

t[n[1], x1_]->n[x1]

where these rules follow from Axiom 9 and Substitution Lemma 18 respectively.

Substitution Lemma 19

It can be shown that:

n[t[x1, x2]]==t[n[x1], x2]

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 22, and apply the substitution:

t[n[1], x1_]->n[x1]

which follows from Substitution Lemma 18.

Critical Pair Lemma 23

The following expressions are equivalent:

t[x1, n[1]]==p[n[x1], t[x1, 0]]

Proof

Note that the input for the rule:

p[n[x1_], t[x1_, p[1, x2_]]]->t[x1, x2]

contains a subpattern of the form:

p[1, x2_]

which can be unified with the input for the rule:

p[x1_, n[x1_]]->0

where these rules follow from Critical Pair Lemma 15 and Axiom 6 respectively.

Substitution Lemma 20

It can be shown that:

t[x1, n[1]]==p[n[x1], 0]

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 23, and apply the substitution:

t[x1_, 0]->0

which follows from Substitution Lemma 13.

Substitution Lemma 21

It can be shown that:

t[x1, n[1]]==n[x1]

Proof

We start by taking Substitution Lemma 20, and apply the substitution:

p[x1_, 0]->x1

which follows from Axiom 1.

Critical Pair Lemma 24

The following expressions are equivalent:

n[t[x1, x2]]==t[x1, t[x2, n[1]]]

Proof

Note that the input for the rule:

t[x1_, n[1]]->n[x1]

contains a subpattern of the form:

t[x1_, n[1]]

which can be unified with the input for the rule:

t[t[x1_, x2_], x3_]->t[x1, t[x2, x3]]

where these rules follow from Substitution Lemma 21 and Axiom 9 respectively.

Substitution Lemma 22

It can be shown that:

t[n[x1], x2]==t[x1, t[x2, n[1]]]

Proof

We start by taking Critical Pair Lemma 24, and apply the substitution:

n[t[x1_, x2_]]->t[n[x1], x2]

which follows from Substitution Lemma 19.

Substitution Lemma 23

It can be shown that:

t[n[x1], x2]==t[x1, n[x2]]

Proof

We start by taking Substitution Lemma 22, and apply the substitution:

t[x1_, n[1]]->n[x1]

which follows from Substitution Lemma 21.

Substitution Lemma 24

It can be shown that:

t[a, n[n[a]]]==t[a, a]

Proof

We start by taking Hypothesis 1, and apply the substitution:

t[n[x1_], x2_]->t[x1, n[x2]]

which follows from Substitution Lemma 23.

Conclusion 1

We obtain the conclusion:

True

Proof

Take Substitution Lemma 24, and apply the substitution:

n[n[x1_]]->x1

which follows from Substitution Lemma 9.
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