La lettre de la Preuve

       

ISSN 1292-8763

Septembre/Octobre 2000

   

Atajos en las demostraciones

  

Jean-Paul Delahaye
Université des Sciences et Technologies
Lille, Francia

 

La concisión riesgosa de las pruebas humanas contra el palabrerío impracticable de las pruebas formales

¿Como saber si una demostración es correcta? Uno se imagina que sería suficiente que un matemático se tomara el trabajo de leerla con cuidado, línea por línea, luego de haberse informado de las definiciones y de los resultados conocidos que podrían ser utilizados. Si algunas cuestiones no están resueltas, como suele suceder, sabríamos identificarlas claramente, y el trabajo del investigador consistiría únicamente en resolver esos enigmas previstos. La certidumbre reinaría en las matemáticas.
  Si esa descripción del panorama matemático fuera cierta, pondría a las matemáticas en oposición categórica a la física donde nada establece definitivamente una teoría. Una teoría física no es más que una hipótesis susceptible de ser puesta en cuestión por nuevos datos--uno sabe, por lo tanto, que no se puede probar una ley física, un enunciado general, mediante observaciones y experimentos que solamente dan lugar a enunciados particulares.
  Los lógicos se aferran a la vision idealizada de las matemáticas, argumentando que desde principios del siglo veinte se dispone de sistemas codificados para escribir demostraciones--los llamados sistemas formales. Cuando se escribe una prueba con uno de esos sistemas, una computadora puede verificar la corrección sin que medie intervención humana. La corrección de una prueba formal, dicen los lógicos, es verificable mecánicamente y no requiere ninguna inteligencia. Ahora bien, una multitud de razones complican esta situación ideal y atenuan la imagen tan bella de una ciencia matemática sin escrúpulos, sin disputas, sin errores, donde se llegara a la unanimidad en toda cuestión y donde los desacuerdos se pudieran resolver usando a las computadoras como árbitros.

Vamos a evocar las dificultades encontradas en la escritura de demostraciones formales verificables mecánicamente. Estas dificultades no significan que los sistemas codificados para la escritura de las demostraciones sean inútiles o insuficientes--nadie hoy en día pretende dejarlos de lado y es improcedente evocar los teoremas de incompletitiud de Gödel como argumentos contra los formalismos. Las dificultades significan simplemente que la utilización de formalismos lógicos es mucho más delicada de lo que parece y que el mundo de las matemáticas abunda en complejidades a las que no sabemos, en la práctica, encerrar dentro de esos frascos esterilizados que son los sistemas formales de los lógicos.
  En la introducción a su gran tratado de matemáticas, Nicolas Bourbaki expresó muy claramente ese punto de vista central en la concepción moderna de las matemáticas:

"Conservando siempre presente, como una suerte de horizonte, la posibilidad de una formalización total, nuestro Tratado busca un rigor perfecto… Por el hecho de que buscamos mantenernos constantemente lo suficientemente cercanos a un texto formalizado de tal suerte que éste parezca posible sin alargamientos insoportables hemos facilitado la verificación; los errores (inevitables en semejante emprendimiento) pueden ser localizados sin pérdida excesiva de tiempo y el riesgo de que esos errores descalifiquen un capítulo o un libro entero es muy pequeño."

Algunas de la figuras que acompañan este artículo completan los detalles que faltarían a las "demostraciones sin palabras" propuestas en esta revista en febrero de 1998. Esas demostraciones gráficas ilustran una idea importante: además de la presentacion de las demostraciones en la lengua vernácula o en la lengua formal, una exposición silenciosa y geométrica de las pruebas matemáticas es a veces posible.
  Las pruebas reales que escriben los matemáticos son muy diferentes de las pruebas formales por una primera razón: la utilización generalizada de abreviaturas. Entre las abreviaturas hay algunas benignas que no introducen ninguna ambigüedad. El matemático indicará por ejemplo que, para ganar espacio, escribirá a7 en lugar de a x a x a x a x a x a x a, o sin(5)(x) en lugar de sin(sin(sin(sin(sin(x))))); los paréntesis alrededor del 5 evitarían la confusion entre sin(5)(x) y sin5(x).
  Si tan solo se utilizaran esas abreviaturas sería fácil traducir una prueba humana en prueba formal (y luego verificarla mecánicamente). Se le requeriría a la computadora que reemplazara sistemáticamente cada notación abreviada por su versión completa y, aún si tal práctica alargara el texto, esto no sería una dificultad seria para la computadora a cargo de realizar la verificación.

Atajos y Abreviaturas

Lamentablemente, la mayor parte de las abreviaturas son ambiguas y solamente el contexto permite determinar lo que ellas significan. La notación dx, por ejemplo, puede representar el producto de la variable d por la variable x, o bien el diferencial de x como se utiliza en el cálculo integral. El matemático Littlewood cita la anécdota en la que un profesor que escribía el polinomio ax4 + bx3 + cx2 + dx + e comentaba la fórmula agregando que "e no necesariamente es pero podría ser la base de los logaritmos naturales." El signo + indica la adición entre enteros o la de matrices o toda suerte de otras operaciones (no es raro que, en un mismo texto matemático, varios signos + se utilicen, cada uno con referencia a un concepto diferente). La notación i, según el texto, designa un entero natural o el número complejo cuyo cuadrado es &endash;1, o tal vez otra cosa.
  Uno encuentra con frecuencia similar indicaciones que introducen ambigüedad: "El parámetro k sera fijo durante el resto del párrafo, y en lugar de fk(x) escribiremos f(x)." Los textos matemáticos están llenos de atajos como ése, atajos que vuelven difícil la traducción a un lenguaje formal. Los matemáticos son conscientes de aquello, como lo atestigua la siguiente cita de Nicolas Bourbaki (Algèbre linéaire, Chapitre II, p. 53): "La notación uƒv puede prestarse a confusiones y será necesario que el contexto indique si se trata de un producto tensorial o de una aplicación lineal." Miles de ejemplos similares podrían darse.

Carencias por Todas Partes

Con un trabajo cuidadoso y minucioso, todas esas abreviaturas podrían detectarse y suprimirse del texto de una demostración. Sin embargo, las abreviaturas en la estructura misma de las demostraciones son mucho más graves. Los textos matemáticos, sin embargo, están llenos de ellas.
  Se comprende lo que quiere decir "el lector puede facilmente verificar que la cifra de las unidades en 2100 es 6" o "cuando uno desarrolla la potencia (x + 4x5)12, el coeficiente de x20 es 1056"; si toma una hoja de papel y se arma de paciencia el lector se asegurará de lo correcto de lo que se afirma y el trozo de demostración que falta--una cuenta--será así reconstruido.
  Algunas veces la cuenta que permitiría completar tal verificación es imposible de realizar sin la utilización de computadoras equipadas con progtramas específicos. Imagínese lo que usted debería hacer para asegurarse de la afirmación "hay un 9.98% de sietes en el primer millón de cifras decimales del número ¼ " (el cual es un enunciado verdadero que podríamos encontrar en algún libro). Uno debe tenerle confianza al autor que afirma eso, o trabajar horas, tal vez hasta días, para verificar la afirmación.
  Cuando no se trata sino de cuentas, completar los detalles que faltan en una prueba humana no parece totalmente imposible. Por el contrario, ¿cómo no inquietarse cuando el matemático, luego de haber dado la demostración de un teorema para un caso en el que b es positivo, escribe "el caso en el que b es negativo se trata fácilmente" o "es análogo"? ¿Será cierto? ¿Cómo no volverse francamente ansioso cuando en el texto de una demostración uno descubre la lacónica, y sin embargo muy frecuente, expresión "se deja como ejercicio al lector"?
  Veamos algunos ejemplos de ese tipo tomados del libro de álgebra lineal de Bourbaki. Por empezar, la expresión clásica "se verifica fácilmente que …" (Capítulo 1, p. 107). Tal frase no parece servir de ninguna ayuda al lector. Al menos no es tan desesperante como cuando usted encuentra un obstáculo al realizar la demostración omitida que se anunciara con "la demostración es todavía más simple para …" (Capítulo 2, p. 85).
  La inevitable "se ve que …" es una integrante indiscutida del arsenal demostrativo de Bourbaki (Capítulo 3, p. 158). Cuando se dan precisiones, éstas no son necesariamente elocuentes. Por ejemplo, no es inmediato que uno pueda hacer mucho con las precisiones crípticas dadas para la demostración de la proposición 3 del capítulo 2 (p. 39) que termina diciendo: "La conclusión resulta entonces de la def. 1 y de II, p. 10, prop. 5(ii)." Aun más deliciosa es la sorprendente demostración en una línea de un enunciado que ocupa cuatro líneas: "Esto resulta de E, III, p. 29, prop 12, y E,.III, p. 42, cor 1" (Capítulo III, p. 87).

¡Se Puede Hasta Omitir los Teoremas!

Los lectores no matemáticos se sorprenderán al saber que los atajos pueden extenderse más allá de las demostraciones y que esto ocurre incluso en los mejores tratados. Así, algunas veces, hasta las definiciones y los enunciados se omiten. Siempre en el tratado de N. Bourbaki, encontramos la admirable expresión: "Dejamos al cuidado del lector la formulación de las definiciones y comentarios análogos para el sistema de ecuaciones lineales a la izquierda" (Capítulo II, p. 146), y tambien: "Dejamos al cuidado del lector la definición de un sistema proyectivo de anillos… y la verificación de que …" (Capítulo II, p. 146). ¿Por qué no confiar al lector el trabajo de escribir por su cuenta el capítulo siguiente?
  Estas omisiones no son inocuas. Muchos matemáticos dirán ademas que si bien tales omisiones parecen inevitables, ellas siguen siendo peligrosas. En efecto, es frecuente que se produzcan errores en los textos matemáticos precisamente en los lugares en los que el autor, un matemático calificado, ha dejado los detalles sin completar por estar convencido de que la demostración es posible a partir de las indicaciones sucintas que él propone a título de argumento.
  Las simplificaciones a la tarea del autor aportadas por expresiones como "se lo dejamos al lector" u otras como "a título de ejemplo demostramos el caso quinto" son peligrosas. En efecto, todos aquellos que escriben textos matemáticos saben que con mucha frecuencia ni siquiera ellos mismos han tomado una hoja de papel para asegurarse que esos detalles que sugieren que el lector complete pueden de hecho ser completados. Los autores han trabajado las ideas, están convencidos profundamente que "el argumento funciona", pero ¿es eso suficiente? Sin embargo, como podrían prohibirse esas simplificaciones cuando incluso Bourbaki reconoce que en los textos matemáticos "el empleo de recursos retóricos es necesario" (Bourbaki, Introduction, p. 7)?
  Animado por el placer de la economía y la concisión, preocupado tambien por no ser tomado por un imbécil si da todos los detalles para una inferencia demasiado sencilla, todo matemático acorta sus demostraciones; y mucho más cuando su audiencia consiste de matemáticos de alto nivel. Aunque parezca extraño, ocurre entonces que los riesgos son mayores en los textos donde se presentan resultados de investigación. En un curso destinado a estudiantes, el matemático tratará de moderar su preferencia por esbozos de pruebas, por más que no siempre pueda resistirse a la tentación de decir que "el caso 1 es trivial" y sobre todo a dejar cosas como ejercicio. Estas piruetas lacónicas crean desesperación en la mayoría de los estudiantes, incapaces de completar esos detalles supuestamente fáciles, y dejan con un sentimiento de culpa al lector que está muy apurado como para realizar el trabajo sugerido, mientras que sin embargo en la introducción el pérfido autor ha dicho que será importante tratar seriamente esos ejercicios para asegurarse que uno está comprendiendo el tema.

Un Bache Famoso

Uno de los baches más famosos en una prueba matemática proviene del uso de uno de esos atajos imprudentes. Como todos sabemos, el miércoles 23 de junio de 1993, luego de tres días de conferencias, Andrew Wiles concluyó su presentación pública de la prueba del Ultimo Teorema de Fermat (al que el demostró como un caso particular de resultados más generales). Nadie en el auditorio pudo verificar la demostración, ciertamente compleja, de la que solamente sus grandes rasgos se explicaron oralmente. La demostración, de aproximadamente doscientas páginas de extensión, se sometió a un comité de expertos compuesto de seis especialistas que la trabajaron por varios meses. Varias veces debieron ellos interrogar a Wiles para que les explicara el sentido de lo que estaba escrito. ¡Frente a una prueba formal, los expertos matemáticos no hubieran tenido que contactar a A. Wiles! A. Wiles mismo afirmaba haber verificado cada etapa de la demostración dos veces antes de confiarla a sus colegas. Ante cada cuestión de los expertos, él daba una respuesta que sacaba las dificultades del medio. Poco a poco, A. Wiles volvió comprensible su documento, el cual, si las matemáticas se conformaran a la descripción idealizada dada al principio de este artículo, debería haber sido el caso desde el principio.
  El examen de la demostración avanzaba lentamente hacia una validación total, hasta el día en que una respuesta no satisfizo totalmente a uno de los expertos, ni la respuesta complementaria del día siguiente: había un bache en la demostración que, a pesar de todo el cuidado puesto por A. Wiles, no había sido advertido por él. La falla provenía de la utilización, fuera de las condiciones precisas donde se había demostrado, de un procedimiento que A. Wiles, en una generalización apresurada, había utilizado sin hacer en ese caso todos los controles requeridos.
  Conocemos lo que pasó después: fueron necesarios más de dos años para corregir el error y arribar, tomando un camino diferente del propuesto en 1993, a una demostración completa que los expertos juzgaran aceptable. Notemos, para tranquilizar a los ansiosos, que tan pronto como se obtuvo el acuerdo de los expertos, la prueba fue confirmada por otros expertos. Más aun, hoy por hoy no hay ninguna duda de la validez del resultado&emdash;es decir de que es posible escribir una prueba formal del teorema de Fermat. Lo largo de la prueba prohibe al presente esta transcripción formal completa pero no hay ninguna controversia alrededor de la afirmación de su existencia. La dificultad evocada en la edición de noviembre con respecto a la transcripción de la prueba de A. Wiles en el formalismo de la aritmética elemental de Peano (más limitado que el formalismo de la teoría de conjuntos que sirve de referencia implícita hoy en día), no cuestiona para nada la unanimidad que reina en la comunidad matemática sobre la validez de la prueba de A. Wiles. Y salvo la posibilidad de que la teoría de conjuntos sea contradictoria, la victoria es definitiva.

Las Controversias

Hoy por hoy se ha vuelto cierto que cuando surge una controversia sobre la validez de una demostración en matemáticas, tal controversia no dura para siempre. Esto es así por la posibilidad de que uno se aproxime más y más a lo que sería la prueba formal completa del resultado.
  La relación entre pruebas formales y pruebas reales se puede resumir diciendo: las pruebas formales no suelen ser escritas por matemáticos sino raras veces puesto que son tan largas, pero son ellas mismas las que sirven de último recurso en la evaluación de una prueba real cuya validez está en duda. En efecto, es mediante buscar acercarse paso a paso a lo que sería una prueba formal del resultado en disputa que se obtiene un acuerdo definitivo: o bien no se encuentran obstáculos en el camino que conduce al acuerdo (camino que raras veces se sigue hasta el final) y la prueba real se considera satisfactoria, o bien se encuentra un bache imposible de arreglar y la prueba deviene insuficiente, por lo tanto inexistente…
  La supresión de controversias en matemáticas es relativamente nueva. En efecto, antes de los progresos en lógica de principios de siglo, las controversias se presentaban regularmente y profundas incertidumbres eran causa de divisiones intelectuales, aun en matemáticas. Este supo ser el caso al final del siglo XVII cuando el cálculo diferencial fue descubierto a pesar de que la noción de límite no había sido comprendida sino de una manera imperfecta. (La noción de límite fue precisada por A. Cauchy, 1789-1857, y por K. Weierstrass, 1815-1897.) Al tiempo en que surgía la topología, otras controversias prolongadas se dieron lugar, tales como la que el filósofo Imre Lakatos detalla en su libro a propósito de la fórmula de Euler v &endash; a + c = 2 (a es el número de aristas de un poliedro, v el número de vértices, c el número de caras) para la cual supo ser difícil precisar exactamente su dominio de validez.
  A principios del siglo veinte, una de las últimas grandes controversias en matemáticas supo ser la concerniente a los fundamentos pero ésta no se refiere a la exactitud o inexactitud de algunas pruebas puntuales, sino a una disputa sobre los modos de razonamiento que legítimamente podrían ser utilizados (nociones conjuntistas, axioma de elección, razonamientos no constructivos, etc.). Hoy en día, gracias a los sistemas formales, la controversia sobre los fundamentos de la matemática se ha extinguido y solamente sigue siendo un problema para filósofos en el cual pocos matemáticos se interesan. Se ha vuelto posible establecer un acuerdo unánime con respecto a toda cuestión importante: eso verdaderamente hace que las matemáticas sean una ciencia distinta de las demás.
  Dudas acerca del teorema de Gödel fueron presentadas por algunos matemáticos inmediatamente luego de su publicación, pero las faltas graves de comprension que hacen que los aficionados duden de tal o cual resultado (por ejemplo, la no numerabilidad de los números reales o la imposibilidad de encontrar la cuadratura del círculo) no deben ser tomadas en serio. Al menos no más seriamente que los intentos por inventar una máquina de movimiento perpetuo por parte de alguno de esos infaltables inventores de domingo. En efecto, hoy en día hay unanimidad en matemáticas en lo que concierne a la corrección de los resultados, y ninguna verdadera controversia se mantiene por mucho tiempo.

Progresos en la Formalización

Son pocos los matemáticos que hoy en día se interesan en formalizar completamente sus demostraciones, pero los progresos logrados en ese terreno no son desdeñables.
  A Poincaré le parecía absurdo que para escribir 1 en el sistema formal de los Principia de Russell y Whitehead (el primer sistema formal completo que permitiera la escritura de un trozo importante de las matemáticas) hiciera falta una gran cantidad de símbolos. Apasionado con el tratado de Matemáticas de N. Bourbaki, en el cual las primeras páginas se dedican a describir en detalle el sistema formal sobre el cual el tratado se apoya, un amigo mío encontró divertido escribir explícitamente, sin utilizar ninguna abreviatura, la sucesión de símbolos que representa al conjunto de partes de un conjunto. La expresión, una vez transcripta en una tira de papel, tenía una longitud de tres metros.
  Los sistemas formales de hoy en día no presentan ya esas deficiencias ridículas, pues con el propósito de poderlos manipular, se han concebido notaciones más eficaces con la ayuda de computadoras,. Gracias a ello se ha podido además escribir las pruebas de resultados matemáticos bastante avanzados. Las técnicas utilizadas en estas ocasiones han servido para probar la validez de los programas de computación, y ésta es un área de activa investigación donde la lógica viene en ayuda de la informática.

Formalización de los Infinitesimales

Otros progresos lógicos han sorprendido a los matemáticos. Nos desesperaba no poder justificar los eficaces métodos de cálculo fundados en la manipulación de infinitesimales con un formalismo preciso. El análisis en los siglos XVIII y XIX prefirió extirpar de las matemáticas a esos molestos e indomables infinitesimales. Pero el sistema formal del análisis no standard de A. Robinson, en los años 60, tuvo éxito en la proeza de proponer reglas para el uso de los infinitesimales. Hoy por hoy, quien desea hacer uso de su intuición física para calcular dispone de un formalismo que le permite demostrar la validez de sus cálculos, los que otrora se considerarían no rigurosos. Los resultados logicos conocidos en lo que concierne al análisis no standard son dignos de mención. Uno de ellos indica que que toda propiedad que no mencione a los infinitesimales segun estos se conciben en el marco del análisis no standard puede también ser demostrada en el formalismo conjuntista usual (sin utilizar los infinitesimales). Este resultado justifica a posteriori la elección histórica de los matemáticos de dejar de lado los infinitesimales. Pero conociéndolo al resultado, éste permite que hoy en día quien juzgue conveniente utilizar los infinitesimales pueda dar vía libre a sus preferencias.

Pruebas Heurísticas y "Casi Pruebas"

En paralelo con la noción de prueba formal que sirve para poner a todo el mundo de acuerdo para saber si algo ha sido realmente demostrado, existe una multitud de pruebas no formales, incluso no formalizables (por lo menos no con los sistemas conocidos hoy en día) que proporcionan bastante certeza. Estas pruebas heurísticas, es así como se las llama, son extrañas&emdash;cuando uno las estudia, ellas lo persuaden a uno de la verdad de las proposiciones en cuestión. Sin embargo, de manera similar a las pruebas de antaño que hacían uso de los infinitesimales, los matemáticos rechazan estas pruebas heurísticas. Es cierto que ellas "nos hacen ver que el resultado es verdadero" pero hasta que no dispongamos de buenos sistemas formales (análogos al de A. Robinson para el análisis no standard), será imposible transformarlas en pruebas formales. Eso significa simplemente que, desde el punto de vista de los matemáticos, ¡tales pruebas heurísticas no demuestran nada!
  Un ejemplo de prueba heurística difícil de transformar en prueba formal se indica en la figura 5.

"Casi" Pero No Tanto

Otro ejemplo de un resultado casi probado es el que concierne los números perfectos impares&emdash;un resultado que lleva veinte siglos resistiéndose a ser probado. Un número perfecto es un número que es igual a la suma de sus divisores distintos de sí mismo. El número 6, que es divisible por 1, 2, y 3, es un número perfecto porque 1 + 2 + 3 es igual a 6. Seis es el más pequeño de los números perfectos, los tres que le siguen son 28, 496, y 8128. ¿ Existen los números perfectos impares? La pregunta sigue en pie luego de dos mil años. Nadie jamás ha encontrado uno, pero nadie tampoco ha podido demostrar que ninguno existe. Pese a la ausencia de una demostración, hoy en día todo el mundo está persuadido de que no existen números perfectos impares, pues se han demostrado rigurosamente una gran cantidad de propiedades que tal número perfecto impar debería de poseer si existiera, a saber:

- Si un número perfecto impar existiera, debería poseer al menos 8 factores primos diferentes, y si fuera múltiplo de 3, debería poseer al menos 11. (P. Hagis, 1983)

- Si un número perfecto impar existiera, debería ser tal que la suma de los inversos de sus factores primos esté en el intervalo (0.596, 0.694) (D. Suryanarayan, P. Hagis, 1970)

- Si un número perfecto impar existiera, el orden de multiplicidad de uno cualquiera de sus factores primos sería mayor que 1020 (G. L. Cohen, 1988)

- Si un número perfecto impar existiera, sería mayor que 10300 (R. Brent, G. L. Cohen, H te Riele, 1989)

- Si un número perfecto impar existiera, uno de sus factores primos sería mayor que 106 (P. Hagis, G. L. Cohen, 1998), otro de ellos sería mayor que 104, y otro más sería mayor que 103 (D. Ianucci, 1999).

Nótese que algunos de esos resultados se demostraron hace apenas algunos meses. Parece como si ningún número podría verificar todas esas condiciones a la vez (pero este hecho no ha sido establecido rigurosamente), y por lo tanto se cree con más fuerza que nunca que no existe ningún número perfecto impar. Esta creencia y la idea de que se ha llegado a algunos milímetros del resultado final no constituyen todavía una prueba matemática formalizable, y por lo tanto, como siempre es el caso, no existe ninguna controversia sobre este asunto. Por más fuerte que sea nuestra creencia en que no existen los números perfectos impares, nadie osa decir que ése es un resultado probado.

Referencias

Bourbaki N., Éléments de mathématique, Paris.
Lakatos I. (1984) Preuves et réfutations. Paris : Éditions Hermann.
Nelsen R. (1993) Proofs Without Words : Exercices in Visual Thinking, The Mathematical Association of America, 1993, ISBN 0-88385-700-6.
Dieudonné J. (1987) Pour l'honneur de l'esprit humain, Hachette, 1987.
Salanskis J.-M. (1999) Le constructivisme non standard, Presse universitaires du Septentrion, ISBN 2-85939-604-7, 1999. (À propos de l'Analyse non standard).
Singh S. (1998) Le dernier théorème de Fermat, Éditions J.-C. Lattès, 1998.

 

Traducción, Patricio Herbst

Jean-Paul.Delahaye@lifl.fr
   

  

Texto publicado la primera vez en
"Pour la Science" n°268, Février 2000

© Pour la Science 2000

Libros de Jean-Paul Delahaye, Editions Belin/Pour la science :

 "Logique, informatique et paradoxes", 1995

 "Le fascinant nombre Pi", 1997

 "Jeux mathématiques et mathématiques des jeux", 1999
  

Regreso a la gacetilla