{"id":449,"date":"2011-12-20T05:30:19","date_gmt":"2011-12-20T04:30:19","guid":{"rendered":"http:\/\/xmau.com\/wp\/ilpost\/?p=449"},"modified":"2022-10-11T10:26:42","modified_gmt":"2022-10-11T08:26:42","slug":"il-primo-teorema-di-incompletezza-di-godel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/xmau.com\/ilpost\/2011\/12\/20\/il-primo-teorema-di-incompletezza-di-godel\/","title":{"rendered":"Il primo teorema di incompletezza di G\u00f6del"},"content":{"rendered":"<p>Come <a href=\"http:\/\/xmau.com\/wp\/ilpost\/2011\/12\/12\/arriva-godel\/\">promesso<\/a>, eccovi la ricetta per uno schema di dimostrazione del primo teorema di incompletezza di G\u00f6del. Ho saltato alcuni punti tecnici per i quali dovete fidarvi della parola del grande logico, se proprio non della mia; e ho cercato di spiegare il meglio possibile il significato dei singoli passi, perch\u00e9 altrimenti uno si chiede davvero la necessit\u00e0 di fare tutta quella costruzione. Vi avviso subito: non ci sono concetti molto esoterici, per\u00f2 bisogna avere un minimo di dimestichezza con la logica matematica per seguire la dimostrazione. Prendetevela comoda: se vi consola, ci ho messo delle settimane per riuscire a capirla in modo sufficiente da saperla riscrivere.<\/p>\n<p><!--more--><strong>0.<\/strong> Partiamo dalla definizione di un linguaggio formale che possa codificare l&#8217;aritmetica: G\u00f6del nel suo articolo ha preso i <em>Principia Mathematica<\/em>, ma possiamo usare per esempio l&#8217;<a href=\"http:\/\/www.ilpost.it\/mauriziocodogno\/2011\/06\/20\/i-numeri-naturali-e-gli-assiomi-di-peano\/\">Aritmetica di Peano<\/a> detta anche &#8220;zero e i suoi successori&#8221;. Partendo dal nostro linguaggio PM, consideriamo i simboli (l&#8217;<b>alfabeto<\/b>) di questo linguaggio: lo stock standard \u00e8 mostrato qui sotto. Se non vi ricordate il significato dei simboli, tornate <a href=\"http:\/\/www.ilpost.it\/mauriziocodogno\/2011\/12\/12\/arriva-godel\/\">al mio post precedente<\/a>.<\/p>\n<blockquote><p>Lista della spesa per l&#8217;Aritmetica di Peano:<br \/>\n&#8211; una costante, 0<br \/>\n&#8211; una variabile <i>x<\/i><br \/>\n&#8211; un simbolo &#8216; (primo) per costruire tutte le variabili che vogliamo <i>x<\/i>&#8216;, <i>x<\/i>&#8221;, <i>x<\/i>&#8221;&#8217;&#8230; (poi nel seguito barer\u00f2 e user\u00f2 anche <i>y<\/i> e <i>z<\/i>, ma il principio resta lo stesso)<br \/>\n&#8211; una funzione unaria s, dove s<i>x<\/i> \u00e8 &#8220;il successore di x&#8221;<br \/>\n&#8211; il quantificatore universale &forall; e il quantificatore esistenziale &exist;<br \/>\n&#8211; parentesi sinistra e destra ( e ) per dare un ordine alle operazioni da compiere<br \/>\n&#8211; i simboli logici &and;, &or;, &not;<br \/>\n&#8211; le funzioni binarie + e &times;<br \/>\n&#8211; le relazioni di uguaglianza = e di ordine &lt; (minore)<\/p><\/blockquote>\n<p>ma per fare le cose semplici adesso uso solo 0, +, =, (, ), s. A ciascuno dei simboli associamo poi un numero positivo: nel nostro caso potremmo per esempio dar loro i numeri da 1 a 6 nell&#8217;ordine.<\/p>\n<p><strong>1.<\/strong> Prendiamo ora una successione (una <b>stringa<\/b>) di simboli dell&#8217;alfabeto. Essendo una successione essa \u00e8 automaticamente ordinata, quindi possiamo associare all&#8217;<i>n<\/i>-simo simbolo da sinistra l&#8217;<i>n<\/i>-simo numero primo, elevato alla potenza corrispondente al simbolo stesso. Insomma, a 0=0 corrisponde 2<sup>1<\/sup>&middot;3<sup>3<\/sup>&middot;5<sup>1<\/sup> = 270, a 0=s0 corrisponde 2<sup>1<\/sup>&middot;3<sup>3<\/sup>&middot;5<sup>6<\/sup>&middot;7<sup>1<\/sup> = 5906250 e a 0=( corrisponde 2<sup>1<\/sup>&middot;3<sup>3<\/sup>&middot;5<sup>4<\/sup> = 33750. Il bello \u00e8 che visto che ogni numero si pu\u00f2 fattorizzare in un solo modo c&#8217;\u00e8 una corrispondenza biunivoca tra numeri positivi (a partire da 0 che \u00e8 la stringa nulla) e stringhe. Questi numeri si chiamano <b>numeri di G\u00f6del<\/b>. Scriver\u00f2 G(F) per indicare il numero di G\u00f6del di una formula F.<\/p>\n<p><strong>1 bis.<\/strong> Spero vi siate accorti che la corrispondenza che abbiamo definito \u00e8 al momento solo un giochino tipografico: come sa chi per esempio ha avuto a che fare con l&#8217;XML, possiamo infatti avere stringhe che non hanno alcun senso come nel caso del mio terzo mio esempio. Anche tra le stringhe sensate (le <b>fbf<\/b>, formule ben formate: in inglese trovate wff che sta per well-formed formulas) abbiamo due categorie: quelle false come la seconda visto che 0 non \u00e8 uguale a 1, e quelle vere come la prima. <\/p>\n<p><strong>2.<\/strong> \u00c8 interessante notare che c&#8217;\u00e8 un sistema assolutamente automatico per trovare <i>tutte<\/i> le fbf (tecnicamente si dice che sono una &#8220;classe <b>ricorsivamente definita<\/b>&#8220;); quindi l&#8217;insieme dei numeri di G\u00f6del corrispondenti alle fbf non ha concettualmente nulla di diverso da altri insiemi come i quadrati perfetti, i numeri primi o quelli di Fibonacci. Uno potrebbe studiare le propriet\u00e0 di questi numeri, e naturalmente descriverle nel linguaggio dei <em>Principia Mathematica<\/em>. Vi siete accorti di cosa \u00e8 successo? Siamo partiti da PM, abbiamo tradotto le sue stringhe in numeri di G\u00f6del, e adesso rimettiamo questi numeri dentro PM! Non abbiamo ancora l&#8217;autoreferenzialit\u00e0, per\u00f2: siamo solo passati a un livello superiore. Per il momento non c&#8217;\u00e8 ancora nulla di strano, o se preferite siamo ancora al paradosso anti-Frege: ricordate che i PM sono nati apposta per lavorare su una scala di livelli.<\/p>\n<p><strong>3.<\/strong> Ma \u00e8 <i>molto<\/i> pi\u00f9 interessante scoprire che anche la classe delle <b>formule dimostrabili<\/b> \u00e8 ricorsivamente definita. Le formule dimostrabili non sono nient&#8217;altro che i teoremi: se un teorema \u00e8 dimostrabile, esiste una serie di passaggi formali &ndash; ricordate che i <i>Principia Mathematica<\/i> sono proprio nati per mostrare come tutta l&#8217;aritmetica pu\u00f2 essere dimostrata automaticamente &ndash; che a partire dagli assiomi porta alla stringa corrispondente al teorema. Questo a sua volta significa che c&#8217;\u00e8 un algoritmo <i>computazionale<\/i> che lavora sui numeri di G\u00f6del corrispondenti!, e che possiamo parlare dell&#8217;insieme dei numeri di G\u00f6del &#8220;teorematici&#8221;, che cio\u00e8 corrispondono ai teoremi. 270 \u00e8 un numero teorematico, visto che si pu\u00f2 dimostrare che 0=0 (non lo credevate, vero?); mischiando al solito i livelli, possiamo enunciare in PM le affermazioni &#8220;270 \u00e8 un numero teorematico&#8221; e &#8220;270 NON \u00e8 un numero teorematico&#8221;. La prima \u00e8 vera, la seconda falsa; quello che conta \u00e8 che sono entrambe fbf. Naturalmente anche la <i>dimostrazione<\/i> stessa \u00e8 esprimibile come una serie finita di passaggi logici e quindi ha un suo numero di G\u00f6del.<\/p>\n<p><strong>3 bis.<\/strong> Vi siete accorti che non ho dimostrato che le formule dimostrabili, o se per questo le fbf, sono ricorsivamente definite? Ecco, questo \u00e8 un punto su cui dovete fidarvi oppure leggere l&#8217;articolo originale di G\u00f6del, o almeno <a href=\"http:\/\/www.research.ibm.com\/people\/h\/hirzel\/papers\/canon00-goedel.pdf\">la sua traduzione in inglese<\/a>. Per\u00f2 vi garantisco che \u00e8 una caratteristica molto importante.<\/p>\n<p><strong>4.<\/strong> Digressione: come si fa a scoprire che un numero \u00e8 teorematico? La cosa non \u00e8 cos\u00ec banale come sembra a prima vista. Con i numeri fbf la cosa, almeno in linea di principio, \u00e8 semplice. Le formule che si generano man mano sono sempre pi\u00f9 lunghe, e quindi corrispondono a numeri di G\u00f6del sempre pi\u00f9 grandi. Beh, non \u00e8 proprio cos\u00ec, visto che gli esponenti dei singoli fattori potrebbero essere minori dopo la generazione della nuova formula; ma per ogni <i>k<\/i> c&#8217;\u00e8 comunque un limite superiore finito per il numero corrispondente a una formula con <i>k<\/i> termini, e quando superiamo quel limite senza trovare nulla siamo certi che il numero non corrisponde a una fbf. Per i numeri teorematici non \u00e8 cos\u00ec: pu\u00f2 capitare che mentre generiamo le stringhe di una dimostrazione ne otteniamo una pi\u00f9 corta della precedente, proprio come quando facevamo gli esercizi sulle espressioni e semplificavamo tutto.<\/p>\n<p><strong>4 bis.<\/strong> Ma \u00e8 importante sapere se un numero \u00e8 teorematico? Beh, lo sarebbe s\u00ec. Immaginiamo di avere un guru, o un G\u00f6ru come lo chiama Hofstadter, che sappia dirci se un numero \u00e8 teorematico o no. Bene: in questo caso sapremmo risolvere <i>tutti<\/i> i teoremi della teoria dei numeri. Dato un teorema T, Basta calcolare il numero di G\u00f6del G(T) corrispondente al teorema, darlo a G\u00f6ru e chiedergli se \u00e8 teorematico. Se la risposta \u00e8 s\u00ec, allora il teorema \u00e8 vero; altrimenti \u00e8 falso. Beh, questo naturalmente se \u00e8 vero il Credo del Matematico!<\/p>\n<p><strong>4 ter.<\/strong> Se a qualcuno leggendo fin qua \u00e8 venuto in mente l&#8217;Entscheidungsproblem, ha intuito tante cose :-) Ma il centenario della nascita di Alan Turing \u00e8 l&#8217;anno prosssimo, quindi dovete aspettare ancora un po&#8217; perch\u00e9 vi parli anche di questo. Se non gli \u00e8 venuto in mente, nema problema: qui stiamo dimostrando dell&#8217;altro.<\/p>\n<p><strong>5.<\/strong> Ora inizia la parte davvero complicata, perch\u00e9 iniziamo ad avvitarci (deliberatamente!) su noi stessi. Quello che vorremmo fare \u00e8 avere una formula che, letta come numero di G\u00f6del e decodificata, parli ancora di s\u00e9 stessa: peccato che, come dovreste avere intuito, la g\u00f6delizzazione costruisce numeri molto, molto maggiori di quelli di partenza e quindi non si capisce come si possa far star dentro la formula originaria dopo la decodifica. Il trucco \u00e8 di usarlo allora come <b>valore<\/b> dato alla formula stessa!<br \/>\nIl nostro linguaggio permette infatti di scrivere formule con <b>variabili libere<\/b>, come <i>x<\/i>=ss0 (notate la differenza con &exist;<i>x<\/i>:<i>x<\/i>=ss0. In questo secondo caso la <i>x<\/i> si dice <b>quantificata<\/b>. Attenzione: <i>x<\/i>=ss0 non deve necessariamente essere vera o falsa! Non \u00e8 neppure un&#8217;equazione, se per questo. Per ottenere una formula vera o falsa occorre dare un valore per <i>x<\/i>. Possiamo assegnargli il valore 0 e ottenere una formula falsa, oppure assegnargli 2 e ottenere una formula vera. <\/p>\n<p><strong>6.<\/strong> Naturalmente anche queste espressioni con variabili libere hanno un numero di G\u00f6del. Dato un qualunque numero <i>n<\/i> e una formula F(<i>x<\/i>), possiamo allora definire la relazione NONDIMOSTRO(<i>n<\/i>,G(F)) che afferma &#8220;<i>n<\/i> non \u00e8 il numero di G\u00f6del di una dimostrazione di F(G(F))&#8221;, cio\u00e8 di F applicata al proprio numero di G\u00f6del. Insomma, si prende il numero G(F), lo si decodifica per ottenere F che come dicevo ha una variabile libera <i>x<\/i>, si mette G(F) al posto di <i>x<\/i> e si ricodifica. Otteniamo numeri pantagruelici, ma il bello della matematica \u00e8 che non ci dobbiamo preoccupare di queste quisquilie. NONDIMOSTRO \u00e8 una relazione tra i due numeri <i>n<\/i> e G(F); se <i>n<\/i> non \u00e8 la codifica di una dimostrazione &ndash; vale a dire l&#8217;elenco (finito) di formule che la compongono &ndash; di F(G(F)) allora NONDIMOSTRO(<i>n<\/i>,G(F)) \u00e8 vero, mentre se quell&#8217;elenco \u00e8 una dimostrazione di F(G(F)) allora &not; NONDIMOSTRO(<i>n<\/i>,G(F)), cio\u00e8 la sua negazione, \u00e8 vero. Visto che l&#8217;elenco \u00e8 finito e che sappiamo che le formule dimostrabili sono ricorsivamente definite, siamo sicuri che in un tempo finito si riesce a ottenere una delle due possibilit\u00e0, e pertanto una delle due possibilit\u00e0 \u00e8 dimostrabile.<\/p>\n<p><strong>7.<\/strong> Su, che ci siamo quasi. Abbiamo visto che NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,<i>z<\/i>) significa che <i>y<\/i> non \u00e8 il numero di G\u00f6del di una dimostrazione di <i>z<\/i>, dove <i>z<\/i> \u00e8 una formula con una variabile libera che viene quantificata dando come valore alla variabile il numero di G\u00f6del della formula stessa. Naturalmente dato uno <i>z<\/i> ci saranno alcuni <i>y<\/i> per cui NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,<i>z<\/i>) \u00e8 vero (<i>y<\/i> non \u00e8 una delle possibili dimostrazioni di <i>z<\/i>) e forse altri per cui \u00e8 falso (se <i>z<\/i> \u00e8 vero e dimostrabile allora c&#8217;\u00e8 almeno una sua dimostrazione e quindi un numero di G\u00f6del). Definiamo ora una nuova formula P(<i>z<\/i>) data da &forall;<i>y<\/i> NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,<i>z<\/i>): quindi se mettiamo al posto di <i>z<\/i> un numero di G\u00f6del G(F) , otteniamo P(G(F)) = &forall;<i>y<\/i> NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,G(F)), o detto in modo pi\u00f9 terra terra &#8220;la formula F(G(F)) non ammette alcuna dimostrazione&#8221;, come abbiamo visto sopra.<\/p>\n<p><strong>8.<\/strong> E se invece che una F qualunque prendiamo proprio P, facendo un triplo avvitamento autoreferenziale? La formula P(G(P)) equivale a &forall;<i>y<\/i> NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,G(P)), cio\u00e8 &#8220;la formula P(G(P)) non ammette alcuna dimostrazione&#8221;, cio\u00e8 &#8220;io non sono dimostrabile&#8221;. Siamo finalmente arrivati alla soluzione! Infatti la nostra ipotesi iniziale, il Credo del Matematico, ci dice che una e una sola delle formule P(G(P)) e &not; P(G(P)) \u00e8 dimostrabile.<br \/>\nSe P(G(P)) fosse dimostrabile, prendiamo una sua dimostrazione e il suo numero di G\u00f6del <i>n<\/i>. Per definizione di NONDIMOSTRO, otteniamo che &not; NONDIMOSTRO(<i>n<\/i>,G(P)) \u00e8 dimostrabile, e pertanto che &not; P(G(P)) \u00e8 dimostrabile. Aiuto! Contraddizione! Niente da fare, insomma.<br \/>\nSe invece fosse &not; P(G(P)) ad essere dimostrabile, avremmo per definizione e per le relazioni tra i quantificatori che la formula &exist; <i>y<\/i>: &not; NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,G(P)) \u00e8 dimostrabile. Prendiamo un <i>y<\/i> qualunque e supponiamo che &not; NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,G(P)) sia dimostrabile. Ma allora per definizione <i>y<\/i> \u00e8 il numero di G\u00f6del di una dimostrazione di P(G(P))&#8230; dimostrazione che non pu\u00f2 esistere, per quanto visto appena sopra. Ma <i>y<\/i> era qualunque, pertanto per ogni <i>y<\/i> la nostra &not; NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,G(P)) non \u00e8 dimostrabile. Dunque &exist; <i>y<\/i>: &not; NONDIMOSTRO(<i>y<\/i>,G(P)) \u00e8 falsa, e pertanto &not; P(G(P)) non \u00e8 dimostrabile. <\/p>\n<p>Abbiamo finito, non ve ne siete accorti ? :-) Se siete riusciti ad arrivare sin qui senza perdervi, vi faccio i miei pi\u00f9 sinceri complimenti (e li faccio anche a me&#8230; garantisco che \u00e8 stato un bagno di sangue preparare questa dimostrazione). Altrimenti provate a raccontare i vostri dubbi, e vediamo se riesco a diradarli almeno un po&#8217;.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>La dimostrazione del teorema di incompletezza di G\u00f6del non \u00e8 complicatissima, ma \u00e8 cos\u00ec autoreferenziale che a volte sembra di vedere  <i>Ritorno al futuro II<\/i>. Ho provato a sminuzzarla e descriverla.<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"site-sidebar-layout":"default","site-content-layout":"","ast-site-content-layout":"default","site-content-style":"default","site-sidebar-style":"default","ast-global-header-display":"","ast-banner-title-visibility":"","ast-main-header-display":"","ast-hfb-above-header-display":"","ast-hfb-below-header-display":"","ast-hfb-mobile-header-display":"","site-post-title":"","ast-breadcrumbs-content":"","ast-featured-img":"","footer-sml-layout":"","ast-disable-related-posts":"","theme-transparent-header-meta":"","adv-header-id-meta":"","stick-header-meta":"","header-above-stick-meta":"","header-main-stick-meta":"","header-below-stick-meta":"","astra-migrate-meta-layouts":"default","ast-page-background-enabled":"default","ast-page-background-meta":{"desktop":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""},"tablet":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""},"mobile":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""}},"ast-content-background-meta":{"desktop":{"background-color":"var(--ast-global-color-4)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""},"tablet":{"background-color":"var(--ast-global-color-4)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""},"mobile":{"background-color":"var(--ast-global-color-4)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-opacity":"","overlay-gradient":""}},"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"activitypub_content_warning":"","activitypub_content_visibility":"","activitypub_max_image_attachments":4,"activitypub_interaction_policy_quote":"anyone","activitypub_status":"","footnotes":"","jetpack_publicize_message":"","jetpack_publicize_feature_enabled":true,"jetpack_social_post_already_shared":false,"jetpack_social_options":{"image_generator_settings":{"template":"highway","default_image_id":0,"font":"","enabled":false},"version":2},"jetpack_post_was_ever_published":false},"categories":[1],"tags":[44,24,29],"class_list":["post-449","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-uncategorized","tag-logica","tag-paradossi","tag-storia-della-matematica"],"jetpack_publicize_connections":[],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"jetpack_shortlink":"https:\/\/wp.me\/phh2yP-7f","jetpack-related-posts":[{"id":447,"url":"https:\/\/xmau.com\/ilpost\/2011\/12\/12\/arriva-godel\/","url_meta":{"origin":449,"position":0},"title":"Arriva G\u00f6del!","author":".mau.","date":"12\/12\/2011","format":false,"excerpt":"Cosa dice esattamente il teorema di G\u00f6del? 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