Ein Beweis ist in der Mathematik der formal korrekte Nachweis, dass aus einer Menge von Aussagen und Axiomen eine weitere Aussage folgt.

Hierbei existieren unter anderem drei Methoden, nach denen ein Beweis in der Mathematik durchgeführt werden kann:

• der direkte Beweis,
• der indirekte Beweis bzw. der Beweis durch Widerspruch
• die (vollständige) Induktion

Der direkte Beweis

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Beim direkten Beweis wird die Behauptung durch Anwenden von bewiesenen Aussagen und durch logische Folgerungen bewiesen.

Einige einfache Beispiele:

Satz 1

Behauptung: $S(n)\; :=\; 1\; +\; 2\; +\; 3\; +\; ...\; +\; n\; =\; \backslash frac\{n\; \backslash cdot\; (n+1)\}\{2\}$

Beweis: Wir schreiben die Summe zwei Mal untereinander und addieren spaltenweise:

S(n) = 1 + 2 + ... + (n-1) + n S(n) = n + (n-1) + ... + 2 + 1

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- S(n) + S(n) = (n+1) + (n+1) + ... + (n+1) + (n+1)

Daraus folgt

$2\; \backslash cdot\; S(n)\; =\; n\; \backslash cdot\; (n+1)$.

Dividiert man beide Seiten durch 2, erhält man die Behauptung.

Zu diesem Beweis gibt es eine Anekdote: Eines Tages hatte der Mathematiklehrer von Carl Friedrich Gauß keine Lust, Unterricht zu halten. Daher gab er den Schülern die Aufgabe, die Zahlen von 1 bis 100 zusammenzuzählen. Kaum hatte es sich der Lehrer gemütlich gemacht und die Zeitung aufgeschlagen, da meldete sich der 7-jährige Gauß und legte das Ergebnis vor. Gauß hatte das Ergebnis nach der obigen Methode errechnet.

Satz 2

Behauptung: Das Quadrat jeder geraden natürlichen Zahl n ist gerade.

Beweis: Sei n eine gerade natürliche Zahl. Dann lässt sich n darstellen als $n\; =\; 2k$, wobei k eine natürliche Zahl ist. Daraus folgt:

$n^2\; =\; (2k)^2\; =\; (2k)\backslash cdot\; (2k)\; =\; 4\; \backslash cdot\; k^2\; =\; 2\; \backslash cdot\; (2\; \backslash cdot\; k^2)$.

$n^2$ ist daher das Doppelte einer natürlichen Zahl (Ausdruck in Klammern; sogar dieser ist bereits gerade) und damit gerade.

Satz 3

Behauptung: Das Quadrat einer ungeraden natürlichen Zahl n ist ungerade.

Beweis: Sei n eine ungerade natürliche Zahl. Dann lässt sich n darstellen als $n\; =\; 2k\; +\; 1$, wobei k eine natürliche Zahl oder Null ist. Daraus folgt mit Hilfe der 1. binomischen Formel:

$n^2\; =\; (2k+1)^2\; =\; 4k^2+4k+1\; =\; 2\; \backslash cdot\; (2k^2+2k)+1$.

Aus dieser Darstellung folgt, dass $n^2$ ungerade ist.

Der indirekte Beweis (Widerspruchsbeweis)

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Beim indirekten Beweis zeigt man, dass ein Widerspruch entstehen würde, wenn die zu beweisende Behauptung falsch wäre (deshalb nennt man diese Methode auch Beweis durch Widerspruch oder reductio ad absurdum). Dazu verwendet man die gleichen Methoden wie beim direkten Beweis. Wenn nun die Behauptung nicht falsch sein kann, muss sie richtig sein. Wichtige (und keinesfalls selbstverständliche!) Voraussetzung für die Gültigkeit eines Widerspruchbeweises ist, dass im zugrundeliegenden System die Aussage nicht gleichzeitig wahr und falsch sein kann (Widerspruchsfreiheit).

Ein klassisches Beispiel eines Widerspruchsbeweises ist der Nachweis, dass es unendlich viele Primzahlen gibt.

Wir zeigen einige weitere Beispiele.

Satz 4

Behauptung: Ist die Wurzel aus einer geraden natürlichen Zahl eine natürliche Zahl, so ist diese gerade.

Beweis: Wir nehmen an, $\backslash sqrt\{n\}\; =\; k$ sei ungerade. Dann ist wegen Satz 3 $k^2\; =\; n$ auch ungerade – ein Widerspruch.

Satz 5

Behauptung: Die Wurzel aus einer ungeraden natürlichen Quadratzahl n ist ungerade.

Beweis: Wir nehmen an, $\backslash sqrt\{n\}\; =\; k$ sei gerade. Dann ist wegen Satz 2 $k^2\; =\; n$ auch gerade – ein Widerspruch.

Satz 6

Behauptung: Die Zahl $\backslash sqrt\{2\}$ ist irrational.

Beweis: Wir nehmen an, $\backslash sqrt\{2\}$ sei rational. Dann kann man $\backslash sqrt\{2\}$ darstellen als Bruch

$\backslash sqrt\{2\}\; =\; \backslash frac\{n\}\{k\}$,

wobei n und k natürliche Zahlen und o. B. d. A. teilerfremd sind. Daraus folgt durch Quadrieren:

$2\; =\; \backslash frac\{n^2\}\{k^2\}\; \backslash Leftrightarrow\; n^2\; =\; 2\; k^2$.

Folglich ist $n^2$ eine gerade Zahl. Da die Wurzel aus einer geraden Quadratzahl auch gerade ist (Satz 4), ist n selbst gerade. Also ist n/2 eine natürliche Zahl. Nun formen wir die letzte Gleichung um:

$k^2\; =\; \backslash frac\{n^2\}\{2\}\; =\; 2\; \backslash cdot\; \backslash left(\backslash frac\{n\}\{2\}\backslash right)^2$.

Das zeigt, dass $k^2$ und somit auch k gerade natürliche Zahlen sind. n und k sind also gerade und haben somit beide den Teiler 2. Damit sind n und k nicht teilerfremd – im Widerspruch zu der Annahme. Also ist die Annahme, $\backslash sqrt\{2\}$ sei rational, falsch.

Die vollständige Induktion

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Der Beweis durch vollständige Induktion ist ein beliebtes Verfahren zum Beweisen von Allsätzen über natürliche Zahlen, das heißt, Sätze der Form "Für jede natürliche Zahl n gilt... ". (Die Methode lässt sich aber auch für andere Mengen verallgemeinern.) Man zeigt zuerst, dass die Aussage für n=0 gilt, und danach, dass sie auch für n+1 gilt, wenn sie für n gilt. Die vollständige Induktion lässt sich mit einem Dominoeffekt vergleichen. Man stellt die Steine so auf, dass, wenn einer umfällt, auch der nächste umfällt (n → n+1), und stößt den ersten Stein um (n=0).

Ein einfaches Beispiel:

Satz 7

Behauptung: A(n): 1 + 3 + ... + (2n+1) = (n+1)²

Beweis:

1. A(0): (2*0+1) = 1 = (0+1)², eine wahre Aussage.
2. Die Behauptung sei für ein beliebiges n gültig. Für n+1 erhalten wir

A(n+1): 1 + 3 + ... + (2n+1) + (2n+3) = ((n+1) + 1)².

Da die Behauptung für n gültig ist, folgt

1 + 3 + ... + (2n+1) + (2n+3) = (n+1)² + (2n+3) = (n+2)² = ((n+1) + 1)²

Somit ist die Behauptung bewiesen.

Natürlich braucht man nicht unbedingt mit n=0 anzufangen; wenn man z. B. eine Aussage beweisen will, die für alle $n\; \backslash geq\; 5$ gilt (wie beispielsweise die Ungleichung $2^\{n\}>n^2$), dann fängt man am besten mit n=5 an.

Eine Verallgemeinerung der Induktion auf natürlichen Zahlen ist die transfinite Induktion, die auf wohlgeordneten Mengen (oder Klassen), und insbesondere auf den Ordinalzahlen durchführbar ist. Eine andere in der Theoretischen Informatik und Graphentheorie übliche Verallgemeinerung ist die strukturelle Induktion: hier werden in induktiv definierten Strukturen Aussagen bewiesen, indem man diese induktiv nach dem Aufbau der Struktur beweist.

Konstruktiver und nicht-konstruktiver Beweis

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Beim Beweis von Existenz-Sätzen unterscheidet man zwischen einem konstruktiven Beweis und einem nicht-konstruktiven Beweis.

Bei einem konstruktiven Beweis wird entweder die Lösung selbst genannt oder ein Verfahren angegeben, das zur Lösung führt: Es wird eine Lösung konstruiert.

Bei einem nicht-konstruktiven Beweis wird anhand von Eigenschaften auf die Existenz einer Lösung geschlossen. Manchmal wird sogar indirekt die Annahme, es gäbe keine Lösung, zum Widerspruch geführt, woraus folgt, dass es eine Lösung gibt. Aus solchen Beweisen geht nicht hervor, wie man die Lösung gewinnt.

Ein einfaches Beispiel soll dies verdeutlichen.

Behauptung: Die Funktion f(x) = 2x - 1 besitzt im Intervall ^* eine Nullstelle x₀.

Konstruktiver Beweis: Sei x₀ = 0,5. Dann gilt: f(x₀) = 2·x₀ - 1 = 2·0,5 - 1 = 1 - 1 = 0. Ferner liegt x₀ = 0,5 im Intervall ^*. Damit ist die Behauptung bewiesen.

Nicht-konstruktiver Beweis: f(x) ist stetig. Ferner ist f(0) = -1 < 0 und f(1) = 1 > 0. Nach dem Zwischenwertsatz für stetige Funktionen folgt die Behauptung.

Siehe auch

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• „o. E. d. A.“ und „o. B. d. A.“ sind gebräuchliche Abkürzungen für „ohne Einschränkung der Allgemeinheit“ bzw. „ohne Beschränkung der Allgemeinheit“.
• Beweis (Logik)
• Wohlfundierte Induktion

Literatur

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• Martin Aigner, Günter M. Ziegler: Das BUCH der Beweise, Springer, ISBN 3-540-40185-7

Weblinks

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• Die Zeit: Obst in Formeln (zur Problematik eines Beweises mit Computer)
• Zusammenfassung der Beweismethoden für Schüler

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