Contents
1 Intuitive Proofs 1
1.1 Chessboard Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Naming Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 The Pigeonhole Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Introduction to Ramsey Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Direct Proofs 47
2.1 Working From Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2 Proofs by Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3 Divisibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4 Greatest Common Divisors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5 Modular Arithmetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.6 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Introduction to Number Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3 Sets 97
3.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2 Proving A ✓ B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3 Proving A = B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.4 Set Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.5 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Introduction to Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4 Induction 147
4.1 Dominoes, Ladders and Chips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3 Strong Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.4 Non-Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
iii
iv CONTENTS
4.5 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Introduction to Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5 Logic 207
5.1 Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.2 Truth Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.3 Quantifiers and Negations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.4 Proving Quantified Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.5 Paradoxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.6 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Introduction to Real Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6 The Contrapositive 261
6.1 Finding the Contrapositive of a Statement . . . . . . . . . . . . . . . 263
6.2 Proofs Using the Contrapositive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
6.3 Counterexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
6.4 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Introduction to Big Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7 Contradiction 293
7.1 Two Warm-Up Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
7.2 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
7.3 The Most Famous Proof in History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
7.4 The Pythagoreans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
7.5 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Introduction to Game Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
8 Functions 331
8.1 Approaching Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.2 Injections, Surjections and Bijections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8.3 The Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
8.4 Invertibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.5 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
Introduction to Cardinality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
9 Relations 379
9.1 Equivalence Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
9.2 Abstraction and Generalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
9.3 Bonus Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
Introduction to Group Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
Appendices 421
A Other Proof Methods 423
A.1 Probabilistic Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
A.2 Linear Algebra Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
A.3 Combinatorial Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
A.4 Computer-Assisted Proofs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
A.5 Proofs by Picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
B Proofs From The Book 453
B.1 Merry Madness from March . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
B.2 Significant Sets of Shifting Shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
B.3 A Flow of Factors From Fermat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
B.4 A Pinpointed Proof Pausing Prussian Parades . . . . . . . . . . . . . 462
B.5 Cleverly Cutting the Cruising Coins . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
B.6 An Antisocial Ant Avalanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
B.7 A Pack of Pretty (Book) Proofs by Picture . . . . . . . . . . . . . . 472
B.8 An Image’s Insightful Illusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
B.9 Monotone Marches through Muddled Marks . . . . . . . . . . . . . . 479
B.10 Zigging Zeniths and Zagging Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
C Writing Advice 487
C.1 Writing Proofs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
C.2 Writing in LATEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
Index 497