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Wednesday, April 19, 2017

Why finding big prime numbers? why study weird arithmetic sequences?

Now I am sitting on my desk thinking on a technique to help me to identify BIG prime numbers in certain arithmetic sequences using algebraic geometry.

This was part of my last project for my PhD, which I think it was very interesting. When I say "BIG" I mean thousands of digits, maybe millions.  When I say "primes in arithmetic sequences" I mean to separate prime numbers in a list like $latex \{ \alpha_n \}_{n=0}^\infty$.

A popular, a prostituted, an important and a "dumb" sequence.

Now we will describe some non trivial sequences and we will see a glimpse of why they are important (or not).

This is of course in my opinion, since there are infinitely many sequences which I ignore and could be more interesting. In fact there is a sequence of "uninteresting numbers" which contains all numbers which appear to not have known/interesting properties (like being prime, Mersenne prime, triangular number, cube, etc...).
But well, this sequence then..., is interesting as is unique, and then we get a paradox.

The popular sequence

The popular is a very famous arithmetic sequence, and is the "Mersenne Sequence", $latex \{ 2^n-1\}_{n=1}^\infty\subset\mathbb{N}$.

$latex \{ 2,7,15,31,63,127,255,...\}$

This is the sequence of all Mersenne numbers.  We denote by $latex M_n$ to the number $latex 2^n-1$.
To identify the primes in this sequence, note that if $latex n=2k$ (is even) then $latex 2^n-1=(2^k-1)(2^k+1)$ and hence... not a prime number. This means that in the sequence we can discard all the values $latex n\in 2\mathbb{Z}$, that is $latex M_{2k}$ is not prime. A less trivial fact is that if $latex n$ is composite, namely $latex n=ab$ then we have that:

 $latex 2^n-1=2^{ab}-1=(2^a-1)(\sum_{k=0}^{b-1}2^{ka})=(2^b-1)(\sum_{k=0}^{a-1}2^{kb})$

and then also $latex M_{pq}$ is not prime. So, we are left with all the elements in the sequence of the form $latex M_p$ for $latex p$ a prime number. A quick inspection says that $latex M_2, M_3, M_5, M_7$ are Mersenne primes. But $latex M_{11} = 2047 =23\cdot 89$ which is not prime. So, which Mersenne numbers are prime ?

This is a difficult question, there are big computer grids working in this, trying to find the most spectacular prime. The biggest Mersenne prime known, (and Biggest Prime in general) is $latex 2^{74207281}-1$. which has 22.3 million digits approximately. The way to check it without putting so much effort in the algebraic geometric or number theory rigor is the following:

 To check that $latex 2^p -1$ is prime:

Consider the sequence $latex \{ \sigma_1=4, \sigma_2=14,...,\sigma_j=(\sigma_{j-1}^2)-2...\}$
then $latex M_p=2^p-1$ is prime if and only if $latex \sigma_{p-1}\equiv 0 \bmod M_p$.

This is the fastest way known today. is called the Lucas-Lehmer test.
There are other elegant tests (but not necessarily faster) using elliptic curves which I knew its existence when I was talking with Benedict Gross at the conference on L-Functions at Harvard the past year, and in some sense I have to do something similar as part of my PhD program.

The prostituted

Another famous and prostituted sequence is the so called "Fibonacci sequence".

$latex \{ 1,1,2,3,5,8,13,...,F_{n-1}+F_{n-2}, ...\} $

This is famous and is always presented as the building blocks of beauty in the universe. This just an exaggeration, but well, that is another story.

Is known that $latex \lim_{n\to\infty} \frac{F_{n}}{F_{n-1}}=\phi=1.618033...$.

This number $latex \phi$ has the property that squared is equal to $latex \phi+1$ so, is appears as a root of the polynomial $latex x^2 -x -1=0$.
The value of $latex \phi$ can be found when you divide lengths of middle lines in some polygons by the length of the sides. Also in your body, if you divide your height by the distance of your feet to your belly button, and in a lot of parts of our body. This number can be analyzed in a Leonardo da Vinci drawing called "Le proporzioni del corpo umano secondo Vitruvio" which can be seen here.
This is why $latex \phi$ has some kind of mystic and esoteric significance for some people, and that is why is called sometimes The Golden Ratio. 

To identify primes in the Fibonacci sequence, there are no good ways. This is mainly because the sequence highly depends on the "addition" operation and not "multiplication", and believe it or not, addition in number theory is a mystery.
A very important Conjecture in mathematics about this mystery, predicts the possible relation between the multiplication and the addition of integers, through its prime factorization, called the abc conjecture, so Fibonacci, is difficult as a problem in terms of primality, but as seen, has more significance in geometry.

The important sequence

Now for the important sequence is this

$latex \{2, 1729, 87539319, 6963472309248, 48988659276962496, 24153319581254312065344...\}$

Do you see it?

Well, is not too easy to see, is called the "Hardy-Ramanujan sequence", if you denote by $latex \tau(n)$ the $latex n^{th}$ element of the sequence, it means that $latex \tau(n)$ can be written in $latex n$ different ways as a sum of two cubes. Fermat Proved that there are infinitely many of these numbers hundreds of years before, but they caught the attention of Hardy by Ramanujan in a very nice story.

When Ramanujan was dying at the hospital in England, Hardy went to visit him. Hardy told him that the number in his taxi to the hospital was a dull, boring number, 1729. Ramanujan said:

 'No, Hardy, it is a very interesting number. It is the smallest number expressible as the sum of two cubes in two different ways' 


That is why we use the letter $latex \tau$ because these numbers are called "taxicab numbers" because of this story.

The importance of these numbers, is the new theory in arithmetic geometry that arose,  which in fact I am very interested personally, and professionally.

Practically Ramanujan discovered in his way of thinking, an integral solution to the equation $latex x^3+y^3=z^3+w^3$ which nowadays is studied over $latex \mathbb{Q}$ and then twisted.
This kind of surfaces are called K3 Surfaces (Kodaira-Kummer-Kahler, smooth minimal complete surface with trivial canonical bundle), there is no smart way of obtaining these numbers other than using this algebraic geometry in these surfaces. An example of these surfaces with a family of rational curves parametrized  (the curves may contain taxicab solutions in it) is:

  


And yeah 1729 has the desired property, that is, $latex \tau(2)$ is a sum of two cubes in only two different ways. 
Srnivasa Ramanujan was a human computer, in fact to verify this, we check for the $latex \tau(2)=1729$ and $latex \tau(6)=24153319581254312065344$ can be written as the sum of 2 cubes in 2 and 6 different ways respectively:

$latex \begin{matrix}\tau(2)&=&1729&=&1^3 + 12^3 \\&&&=&9^3 + 10^3\end{matrix}$
...
$latex \begin{matrix}\tau(6)&=&24153319581254312065344&=&582162^3 + 28906206^3 \\&&&=&3064173^3 + 28894803^3 \\&&&=&8519281^3 + 28657487^3 \\&&&=&16218068^3 + 27093208^3 \\&&&=&17492496^3 + 26590452^3 \\&&&=&18289922^3 + 26224366^3\end{matrix}$

The "dumb" sequence

There are plenty other sequences, for example, there are some "dumb" sequences that at the end... they are not so dumb, for example, consider the following sequence:

$latex \{1, 11, 21, 1211, 111221, 312211, 13112221, ... \}$

Do you see the pattern?

Well, the pattern is visual, you begin with "1" and then the following will be the "description of the previous", that is, you ask yourself "What symbols are in the preceding element of the sequence?", and you say "one one" (11) then the next is "two ones"  (21), and so on... This sequence is called "look and say sequence".

There are a lot of things you can do in your spare time with this sequence, for example, prove that a "4" cannot appear in any element of the sequence. The number 13112221 is in fact the biggest prime known in this sequence, are there others?

This apparently dumb sequence has an amazing property which transforms it from dumb to analytic and it was due to John Conway.
Consider the $latex k^{th}$ element of that sequence, call it $latex a_k$  , and define $latex \ell(a_k)=$number of digits of $latex a_k$.
Is proved that $latex \lim_{n\to\infty} \frac{\ell(a_k)}{\ell(a_{k-1})}=\lambda=1.303577269034...$. The surprising thing is that $latex \lambda$ is an algebraic number that can be found as a root of a polynomial of degree 71. This was proved by John Conway, for more information, look at wikipedia.


But why?, why you want to find big primes or classify properties of sequences?


 I have been questioned plenty of times "Why you want to find big primes?", today was one of these days where a master student asked me.
There is a FALSE answer which is very popular among a lot of people, namely

 "It has cryptographic applications, since prime numbers are the basis for today's e-commerce and the development of cryptographic schemes" 

This is false, since cryptographic schemes for public key cryptography need prime numbers with no more than 1000 decimal digits (and this is already too long). Using more than 1000 digits maybe would be more secure, but the speed will decrease exponentially, that is why you don't use 1 million bits of security.

 Identifying these "cryptographic" prime numbers at random with certain properties (Like being a Sophie-Germain prime) to generate a public key with 4096 bits which has approx 1234 digits, (which is already paranoid for the public techniques of cryptanalysis) takes less than a second in my workstation (try: time openssl genrsa 4096).
 So, cryptography is not a good excuse to generate BIG prime numbers, when I say big, I mean thousands of digits, millions.


The answer in my case is easy... To collect them...  they are difficult to find, but they are present in a lot of shapes, for example in the last sequence, which elements are prime ? which is the biggest known ? how to identify them with geometric techniques?.

That is how the theory in mathematics is born, with a question regarding classification.

So, finding big primes is difficult, so is valuable, there are only 49 Mersenne Primes and nobody has proved that they are infinite. (but is believed heuristically that they are).

A couple of years ago I wrote here about finding a big prime of the form $latex 3\cdot 8^n -1$ , which I found here, there are a lot of possible primes disguised in infinitely many shapes, you could just define whatever recursive relation and analyze it.

Other people could say to test a big cluster, or to get some money (yes you get money if you break the records). Maybe an analytic number theorist could say To understand more the distribution of prime numbers which is unknown.

Conclusion

So well in conclusion, I think is good to collect primes and analyze sequences. This to find something hidden in the unknown nature of the logic of sequences of natural numbers, since, we don't know yet how the prime numbers arise. There is still a mystery of how the prime numbers are distributed among all the natural numbers,  even with quantum computers is hard to find them arbitrarily large, so there are still work to do in mathematics.

For more information of all the known published sequences (yes, whatever you think will be there) go to www.oeis.org, this is the Online Encyclopedia of Integer Sequences.


Eduardo Ruíz Duarte (beck)
twitter: @toorandom


Wednesday, July 16, 2014

Teoremas de incompletud de Gödel (Bases, explicación y definiciones)

Gödel fue un gran matemático, murió de inanición después de que su esposa muriera quien le cocinaba y probaba su comida antes que él. Gödel tenía un grado de paranoia excesiva por envenenamiento, él trabajó con Albert Einstein y descubrió soluciones paradójicas en ecuaciones de relatividad especial.  Por esto, es que supongo que su paranoia podría ser producto de haber estado involucrado indirectamente en la bomba atómica, no lo sé. En mi opinión Gödel, es el lógico más importante en toda la historia, descubrió (¿inventó?) un resultado muy fuera de lo estándar, que en mi opinión es muy profundo y en mi perspectiva toca los límites entre la matemática y la filosofía analítica. Esto le hizo ganarse su doctorado con una tésis de doce páginas "Über die Vollständigkeit der Axiome des logischen Funktionenkalkül" por la universidad de Viena (click aquí).

En general, gracias a él tenemos fundamentos para poder demostrar la veracidad de alguna proposición en matemáticas dadas las reglas del juego (axiomas).  Es decir él practicamente fundó la teoría metamátematica que gobierna a las matemáticas como las conocemos.

De los tres resultados más importantes que Gödel obtuvo por ahí de 1930, el que más ha sido objeto de curiosidad, es sólamente el teorema de incompletud. el más profundo. En mi opinión, este resultado no está bien entendido por las personas que "creen entenderlo", yo caía en este subconjunto hace algunos años, hasta que decidí estudiarlo formalmente

De hecho hay dos teoremas de incompletud y en general cuando la gente habla de el  "teorema de incompletud" casi siempre se refiere al primero de estos.

Nosotros hoy profundizaremos en esto y en las definiciones que nos llevarán a comprenderlo un poco.  Espero ser bastante explícito.

Para ser más formal omitiré el uso de algunos símbolos en matemáticas para no confundir el lenguaje formal que es importante en esto; es decir omitiré la teoría de conjuntos como usualmente la usamos y trataré de expresar todo con la menor cantidad de símbolos.

El teorema de incompletud de Gödel, es como el principio de incertidumbre de Heisenberg, en general se piensa que "existen límites absolutos relacionados con lo que puede ser sabido y medido sobre un fenómeno". Análogamente se dice que los teoremas de Gödel nos dicen que existen verdades matemáticas que jamás podrán ser probadas.

Esto nos lleva a filosofías postmodernistas a veces, y a ideas que apoyan el escepticismo sobre lo que es la verdad... "Nada puede ser completamente sabido realmente"

Un ejemplo absurdo de esto anterior es que existe un libro extraño llamado "Bibliografía el cristianismo y las matemáticas" (sí es en serio) donde se puede ver un ejemplo donde los religiosos usan como herramienta principal el teorema de Gödel para afirmar que si en matemáticas hay cosas que no se pueden demostrar e infieren que también las hay en la religión.  Les encanta el teorema de incompletud ya que "implica" la existencia de dios, ya que él es el único que puede decidir todas las verdades.

Por cierto, también podría interesarles una entrada anterior en mi blog donde Gödel construye un sistema axiomático "mínimo" necesario para que se pueda demostrar la existencia de dios, aquí se las dejo. La intenté demostrar con las palabras más sencillas y contiene una mini introducción a lógica modal.

Empecemos un poco ya con estos teoremas de Gödel. No me considero experto en muchas cosas, incluido esto... así que si notan un error, me harán un gran favor al corregirme.

El primer teorema de incompletud de Gödel de manera burda y débil dice lo siguiente, después lo puliremos:

Teorema 1 de incompletud débil:  (Kurt Gödel)
En un sistema formal suficientemente fuerte existen proposiciones aritméticas verdaderas que no pueden ser demostradas dentro de ese sistema

Ejemplo de enunciado que no se puede demostrar en la teoría de conjuntos (hipótesis del continuo)

Está demostrado que no se puede demostrar que no existe un cardinal infinito "intermedio" entre $latex \aleph_0$ y $latex 2^{\aleph_0}$

Es decir no se puede demostrar que no existe un conjunto infinito estrictamente más grande que $latex \mathbb{N}$ (los números naturales, enteros positivos) y estrictamente más chico que $latex \mathbb{R}$ (todos los números reales, es decir enteros, cocientes de enteros e irracionales como $latex \pi,e,\phi$ et cétera...).
Si no te queda claro esta idea no-intuitiva de que hay infinitos más grandes que otros, imagina que no existe una función que pueda relacionar biyectivamente a los números naturales con los números reales los cuales son muchos más.
Si te interesa profundizar más en esto puedes ver un post anterior aquí sobre los infinitos, cardinalidad, axioma de elección y axiomas de ZF (Zermelo-Fraenkel).

Vamos a tratar de comprender el  teorema de Gödel versión débil a través de definiciones y ejemplos, comencemos...

Lenguajes formales.

Necesitamos entender lo que es un sistema formal, pero para ello, primero necesitamos saber lo que es un lenguaje formal $latex \mathbb{L}$. Para esto necesitamos definir una lista de símbolos, y definir qué secuencias de símbolos son expresiones válidas en el lenguaje  $latex \mathbb{L}$ .

Ahora, cuando se habla de aritmética, significa "lo que podemos hacer con los números".  Es decir, no sólo lo que te enseñan en el kinder sobre los números, sino más bien en términos de teoría de números. 
En el lenguaje formal de la aritmética $latex \mathbb{L}$ tenemos un símbolo para el $latex 1$, también para sumar $latex +$, multiplicar $latex \times$. Más aún, tenemos letras $latex x,y$ que actúan como variables, así como símbolos de igualdad $latex =$ y relaciones de orden como "menor que" < o "mayor que" >.

Menos frecuente, también tenemos partículas lógicas como "Y" $latex (\wedge)$ , "O"  $latex (\vee)$, "implica" $latex (\Rightarrow)$, "NO" $latex (\neg)$ y "sí y sólo si" $latex (\Leftrightarrow)$.

También hay cuantificadores como: "para todo $latex n$" $latex (\forall n)$ así como "existe una $latex n$" $latex (\exists n)$. 

También habrán paréntesis para evitar ambiguedad en las expresiones,  por ejemplo, ya definido nuestro lenguaje, usémoslo para decir algo.

$latex 1< m\wedge \neg(\exists n)(\exists k)(1<n<m \wedge n\times k=m)$

En español:

"$latex m$ es un número mayor que $latex 1$ y no hay $latex n$ ni $latex k$ con $latex n$ menor que $latex m$ cumpliendo que $latex m=n\times k$"

Eso que acabamos de definir es un número primo $latex m$ (un número entero positivo que no tiene factores mayores que $latex 1$), por ejemplo el $latex 7,19,101$ o $latex 31337$.

Ahora, esos símbolos que nos denotan lo que es un número primo, en el lenguaje de la aritmética podemos llamarlo fórmula. Estas fórmulas nos van a servir como un test lógico, que en este caso es una fórmula en función de $latex m$, llamémosla $latex P(m)$. Esta fórmula nos da como resultados "verdadero" o "falso" dependiendo si $latex m$ es primo o no.

Como sabrán... los números primos son muy importantes en la aritmética. Hace 2300 años, Euclides en su libro Elementos probó que que los números primos son infinitos. Esto en nuestro lenguaje formal se puede decir así:

$latex \forall n \exists m (n< m \wedge P(m))$

En español es:

"Para todo número $latex n$ existe un $latex m$ tal que $latex m$ es más grande que $latex n$ y $latex P(m)$ es verdadero (es decir m cumple la fórmula de definición de número primo)".

Más chafa sería que para todo número $latex n$ que se te ocurra, el que sea... siempre podrás encontrar un número más grande que éste que sea primo.

¿Ven el poder de los lenguajes formales? , podemos decir mucho con pocos símbolos.

Otro ejemplo para que quede claro es el concepto de primo gemelo, los cuales son los números naturales $latex n$ tal que $latex n+2$ también es primo. Nadie sabe si existen una infinidad de estos ya que no hay una manera de construirlos. Ejemplos de estos son el $latex 3$ (ya que el $latex 5$ también es primo), incluso el $latex 5$ (porque el $latex 7$ también es primo), pero el $latex 7$ no funciona ya que $latex 7+2=9=3^2$  pero el $latex 11$ sí lo es porque el $latex 13$ es primo.

Si sí existen una infinidad de números primos gemelos, diríamos en nuestro lenguaje, la formula:

$latex \forall n\exists m (n< m \wedge P(m) \wedge P(m+2))$

Es verdadera.

Es decir... para todo $latex n$ que se nos ocurra podemos encontrar un número $latex m$ mayor que $latex n$ que es un primo gemelo.

Esa expresión en el lenguaje de la aritmética NADIE sabe si es verdadera... así como la conjetura fuerte de Goldbach (La débil ya fue resuelta por Helfgott hace unos meses).

Conjetura (Goldbach):
Todo número par mayor que 4 es la suma de 2 números primos impares

Si demostramos algún día la conjetura de Goldbach podremos decir que en $latex \mathbb{L}$ existe el siguiente objeto:

$latex \forall n>4\wedge n=2k (\exists a>2\wedge P(a))(\exists b>2\wedge P(b))(n=a+b)$

Mucho de esto se ataca con el lenguaje de los números complejos que usas en cálculo y análisis como por ejemplo la conjetura de Riemann.

Sistema formal

Ya tienes tu lenguaje formal $latex \mathbb{L}$. Ahora vamos a definir un sistema formal $latex \mathbb S$  en $latex \mathbb{L}$. Esto es definiendo qué proposiciones $latex \mathcal{A}$ de $latex \mathbb{L}$ son axiomas, y qué relaciones entre las proposiciones son reglas de inferencia..

Aquí dije en negritas dos conceptos, "axiomas" y "reglas de inferencia", procedo s definirlos.

Un axioma lo entendemos como una proposición verdadera por sí misma en $latex \mathbb{L}$, y de ésta inferir otras proposiciones. Es decir, son como los bloques de nuestro sistema, no se pueden demostrar y de éstas lograremos construir otras proposiciones. Algunos dicen que son fórmulas del lenguaje $latex \mathbb{L}$ que son evidentes pero yo no coincido NADA con eso. La palabra "evidente" aquí es muy ambigua. Por ejemplo, busca los axiomas de la geometría y demuestra que no se puede deducir uno de otro... no es tan evidente.

Es decir , una proposición que se puede deducir de axiomas NO es un axioma, el axioma es lo más elemental y que todo lo del sistema debe de cumplir. Por ejemplo en $latex \mathbb{L}$, un axioma es  $latex x < y\wedge y< z \Rightarrow x < z$.

Una inferencia es lo que hacemos diario para poder relacionar dos situaciones y saber si son equivalentes o no.  En nuestro caso, si tenemos dos proposiciones $latex \mathcal{A},\mathcal{B}$ del lenguaje $latex \mathbb{L}$, las reglas de inferencia nos permitirán trazar una linea lógica entre $latex \mathcal{A}$ y $latex \mathcal{B}$, y así saber si son equivalentes o alguna implica la otra.  Es decir, si $latex \mathcal{A}\Rightarrow \mathcal{B}$ o $latex \mathcal{B}\Rightarrow \mathcal{A}$ o $latex \mathcal{A} \Leftrightarrow \mathcal{B}$ como ejemplo:

(Lo decapitarán $latex \Rightarrow$ Morirá)

pero... también tenemos que:

$latex \neg$(Morirá $latex \Rightarrow$ Lo decapitarán)

Es decir , si te decapitan es verdadero que vas a morir, pero NO siempre sucede que si vas a morir (todos vamos a morir) es porque te van a decapitar.  El cómo estamos pensando esto desde el sentido de la naturaleza humana es lo que es una regla de inferencia.

Más aún. tenemos como axioma en la vida que los seres humanos son finitos cronológicamente.  Entonces, podemos con base en eso definir una proposición, una equivalencia.

naces $latex \Leftrightarrow$ mueres

Es decir, si naces mueres, y si mueres es porque naciste,

Entonces, en un sistema formal debemos definir los axiomas en el lenguaje $latex \mathbb{L}$ y nuestras reglas de inferencia para poder encontrar relaciones entre las fórmulas/proposiciones de $latex \mathbb{L}$. Se pide también que se pueda computar si una proposición es un axioma o una combinación de implicaciones lógicas deducidas de las reglas de inferencias que vienen de los axiomas.

Ahora, una demostración  en $latex \mathbb{S}$ es una sucesión finita de proposiciones, que cada una de éstas es un axioma o una proposición obtenida de axiomas anteriores conectadas lógicamente por reglas de inferencia. Te puedes imaginar una "gráfica" (o grafo), donde cada vértice es una proposición o teorema de cierto sistema axiomático.  Las aristas (dirigidas) entre dos vértices existirán si existe una relación lógica (implicación) entre ellas obtenida con las reglas de inferencia (el razonamiento básico estipulado en tu sistema formal).

Decimos que una proposición $latex \mathcal A$ es demostrable en $latex \mathbb{S}$ si existe una demostración en $latex \mathbb{S}$ que termina en $latex \mathcal{A}$.

Ahora, también decimos que $latex \mathbb{S}$ es consistente si no hay proposiciones $latex \mathcal{A}$ en $latex \mathbb{L}$ tal que ambas $latex \mathcal{A}$ y $latex \neg \mathcal{A}$ son demostrables en $latex \mathbb{S}$.

Decimos que $latex \mathbb{S}$ es formalmente completo para $latex \mathbb{L}$, si toda proposición $latex \mathcal{A}$ de $latex \mathbb{L}$ se puede demostrar siempre $latex \mathcal{A}$ o $latex \neg \mathcal{A}$ (sólo una de ellas!).

Gödel diría esto equivalentemente en su tesis como:

$latex \mathbb{S}$ es formalmente completo si toda proposición de $latex \mathbb{L}$ es decidible en $latex \mathbb{S}$.

Si $latex \mathbb{S}$ no es completo entonces decimos que existen $latex \mathbb{L}$-proposiciones indecidibles en $latex \mathbb{S}$.

Ahora, decimos que el sistema $latex \mathbb{S}$ es verdadero completo para $latex \mathbb{L}$ si toda proposición verdadera de $latex \mathbb{L}$ es demostrable en $latex \mathbb{S}$ .
Es decir si $latex \mathbb{S}$ es consistente (es decir que puedes demostrar la proposición $latex \matcal{A}$ o su negación (sólo una)) y también es verdadero completo para $latex \mathbb{L}$, entonces es formalmente completo. Esto es ya que toda proposición $latex \mathcal{A}$ de $latex \mathbb{L}$ es o verdadera o falsa (si es falsa, tenemos que su negación es verdadera, por lo que existirá ésta en $latex \mathbb{L}$).

Pero $latex \mathbb{S}$ podría ser consistente y formalmente completo pero no necesariamente verdadero completo. 

Con estos conceptos, ya podemos entender lo que dice el primer teorema de Gödel, excepto por un detalle.
Recordemos lo que dice el primer teorema de Gödel sin pulir y débil, ya pronto enunciaremos el teorema como él mismo lo pensó.

Teorema débil:  (Kurt Gödel), Recapitulando
En un sistema formal suficientemente fuerte existen proposiciones aritméticas verdaderas que no pueden ser demostradas dentro de ese sistema

No sabemos exactamente qué significa "suficientemente fuerte" 

El decir que un sistema formal es suficientemente fuerte, significa que incluye el sistema PA, es decir la aritmética de Peano. Éste PA, son reglas sobre la adición, multiplicación, igualdad y relación de orden (menor que). Pero más allá de eso, los axiomas de Peano conllevan a algo más fuerte que es lo que se pide en "suficientemente fuerte", esto es el principio de inducción matemática en $latex \mathbb{S}$.  Expresado en $latex \mathbb{L}$, dice lo siguiente para un proposición $latex \mathcal{P}$ en $latex \mathbb{L}$:

$latex \mathcal{P}(1)\wedge (\forall n)(\mathcal{P}(n) \Rightarrow \mathcal{P}(n+1)) \Rightarrow (\forall n)\mathcal{P}(n)$

Esta fórmula de $latex \mathbb{L}$  en español dice:

Si $latex 1$ cumple la propiedad $latex \mathcal{P}$, Y si todos los $latex n$ tienen la propiedad $latex \mathcal{P}$ (es decir $latex \mathcal{P}(n)$ es verdadero) e implican que $latex n+1$ también tiene la propiedad $latex \mathcal{P}$,  entonces podemos concluir que todos los números tienen la propiedad $latex \mathcal{P}$.

Esto en teoría de números es muy importante ya que nos permite definir un razonamiento para demostrar una infinidad de proposiciones, es decir que dependan de un parámetro $latex n$ que es una variable que toma una infinidad de valores enteros.

Es decir, los matemáticos no nos vamos a poner a demostrar caso por caso porque da flojera y porque es imposible demostrar una infinidad de casos. La propiedad inductiva en los números naturales nos dice que podemos usar una especie de efecto dominó en las propiedades de los números naturales, permitiéndonos poder generalizar la veracidad de un resultado. Eso de manera informal es el principio de inducción y es lo que Gödel pide en que exista en $latex \mathbb{S}$ para ser considerado éste suficientemente fuerte.  En otras palabras, que el sistema formal contenga la aritmética de Peano la cual trae consigo el principio de inducción.

Los axiomas de Peano son explícitamente estas 5 reglas que con éstas son suficientes para construir toda la aritmética (de hecho la más importante es la función sucesor de un número natural que construye la suma y de ahí todo lo demás en la aritmética:

Axiomas de Peano (de wikipedia)

a) El 1 es un número natural.1 está en $latex \mathbb{N}$, el conjunto de los números naturales.
b) Todo número natural n tiene un sucesor n* (este axioma es usado para definir posteriormente la suma).
c) El 1 no es el sucesor de algún número natural.
d) Si hay dos números naturales n y m con el mismo sucesor, entonces n y m son el mismo número natural.
e) Si el 1 pertenece a un conjunto K de n naturales, y dado un elemento cualquiera k, el sucesor k* también pertenece al conjunto K, entonces todos los números naturales pertenecen a ese conjunto K. Este último axioma es el principio de inducción matemática.

Aquí está ya el teorema después de todo el background que hemos visto:

Primer teorema de incompetud de Gödel:
Si $latex \mathbb{S}$ es un sistema formal tal que:

i) El lenguaje $latex \mathbb{L}$ de $latex \mathbb{S}$ contiene el lenguaje de la aritmética 
ii) $latex \mathbb{S}$ incluye los axiomas de Peano
iii) $latex \mathbb{S}$ es consistente

Entonces existe una proposición $latex \mathcal{A}$ en $latex \mathbb{L}$ que es verdadera pero no puede ser demostrada en $latex \mathbb{S}$

La demostración es complicada pero a grosso modo, a cada símbolo del lenguaje $latex \mathbb{L}$ de $latex \mathbb{S}$ le asoció un número natural. Adicionalmente a cada expresión $latex \mathcal{E}$ de $latex \mathbb{L}$ usando los números asociados a sus símbolos le asoció el número natural obtenido de la concatenación de los símbolos que componen $latex \mathcal{E}$, cada uno separado por cero. Él usa el 0 porque no usa ése dígito al asociar naturales a su lenguaje formal $latex \mathbb{L}$.

 A estos números les llamamos números de Gödel para la expresión $latex \mathcal{E}$.

Ahora, como las fórmulas en $latex \mathbb{L}$ son sucesiones finitas por definición, los números de Gödel están bien definidos, y cada expresión de $latex \mathbb{L}$ tiene un número de Gödel.

Las demostraciones en $latex \mathbb{S}$ serán sucesiones finitas de proposiciones conectadas por una implicación, por lo que a éstas demostraciones también se les puede asociar un número de Gödel, (concatenación de los números de Gödel de cada proposición con un 0 separándolas), entonces él definió la siguiente propiedad:

n es el número de Gödel de una demostración $latex \mathcal{A}$ en $latex \mathbb{S}$

como:

$latex \Delta_{\mathbb{S}}(n,\mathcal{A})$

La cual es expresada en el lenguaje de la aritmética $latex \mathbb{L}$ como la proposición

$latex (\exists n) \Delta_{\mathbb{S}}(n,\mathcal{A})$

la cual escribimos como fórmula:

$latex \Lambda_{\mathbb{S}}(\mathcal{A})$

Ésta nos dice que $latex \mathcal{A}$ es demostrable de $latex \mathbb{S}$ o sea que si es verdadera es demostrable en la aritmética de Peano, y si $latex \mathcal{A}$ no es demostrable en $latex \mathbb{S}$ escribimos $latex \neg \Lambda_{\mathbb{S}}(\mathcal{A})$ (la cual será verdadera).

Finalmente , Gödel usó una adaptación de lo que se le llama el método de la diagonal para construir una proposición específica (una cadena de números), llámale $latex \mathcal{D}$ tal que los axiomas de Peano demuestran

$latex \mathcal{D} \Leftrightarrow \neg \Lambda_{\mathbb{S}}(\mathcal{D})$

Es decir que hay un número de Gödel sin demostración asociada.

Ésta  $latex \mathcal{D}$ es construida con base en una proposición que es autoreferenciada. Con más tiempo en el futuro lo compartiré aquí con detalle.

Gödel culmina demostrando que:

* Si $latex \mathbb{S}$ es consistente entonces $latex \mathcal{D}$ es no demostrable con $latex \mathbb{S}$

Y eso termina la demostración del teorema.

Para terminar este post les dejo el segundo teorema de incompletud

Segundo teorema de incompetud de Gödel:
Si $latex \mathbb{S}$ es un sistema formal tal que:

i) El lenguaje $latex \mathbb{L}$ de $latex \mathbb{S}$ contiene el lenguaje de la aritmética 
ii) $latex \mathbb{S}$ incluye los axiomas de Peano
iii) $latex \mathbb{S}$ es consistente

Entonces la consistencia de $latex \mathbb{S}$ y $latex \Lambda_{\mathbb{S}}(\mathcal{A}\wedge \neg \mathcal{A})$ es NO demostrable en $latex \mathbb{S}$



No profundizaré ahora en esta parte, tal vez en otro post que requiere más maquinaria.

Espero les haya servido de algo, este teorema es de los grandes descubrientos en los artefactos que gobiernan a las matemáticas





                                    Kurt Friedrich Gödel,  Abril 28, 1906 - Enero 14, 1978


Eduardo Ruiz Duarte (beck)
twitter: @toorandom