- •Исчисления высказываний
- •Определение формального исчисления
- •Исчисление высказываний генценовского типа
- •Эквивалентность формул
- •Нормальные формы
- •Семантика исчисления секвенций
- •Исчисление высказываний гильбертовского типа
- •Алгоритмы проверки общезначимости и противоречивости в ив
- •Алгебраические системы. Формулы сигнатуры σ. Истинность формулы на алгебраической системе
- •Логика и исчисления предикатов
- •Секвенциальное исчисление предикатов
- •Эквивалентность формул в
- •Нормальные формы
- •Теорема о существовании модели
- •Исчисление предикатов гильбертовского типа
- •Скулемизация алгебраических систем
- •Метод резолюций в исчислении предикатов
- •Некоторые проблемы аксиоматического исчисления предикатов
- •Разрешимость
- •Непротиворечивость и независимость
- •Полнота в узком смысле
- •Полнота в широком смысле
- •Элементы теории алгоритмов
- •Машины Тьюринга
- •Функции, вычислимые на машинах Тьюринга.
- •Рекурсивные функции и отношения
- •Примитивно рекурсивные функции.
- •Примитивно рекурсивные отношения.
- •Частично рекурсивные функции.
- •Рекурсивно перечислимые отношения
- •Неразрешимость исчисления предикатов. Теорема Геделя о неполноте. Разрешимые и неразрешимые теории.
Секвенциальное исчисление предикатов
Зафиксируем некоторую произвольную сигнатуру Σ и определим секвенциальное исчисление предикатов сигнатуры Σ (ИПС).
Алфавит ИПС получается из алфавита ИΠΣ добавлением символа следования ├, т.е. Α(ИΠСΣ) = Σ V {,¬,,, , , , (,),,, ├}. Формулами ИПС будут формулы сигнатуры Σ.
Секвенциями ИПС называются конечные последовательности следующих двух видов, где φ1,...,φn,φ — формулы ИПС:
φ1,…,φn ├φ
φ1,…,φn├ .
Примем
следующие соглашения. Пусть x1,...
,хn
— переменные,
t1,...,tn
— термы
сигнатуры Σ
и φ
— формула
сигнатуры Σ.
Запись
будет
обозначать результат одновременной
подстановки термов t1,...,tn
вместо
всех свободных вхождений в φ
переменных
x1,...
,хn
соответственно,
причем, если в тексте встречается запись
,
то
предполагается, что для всех i
=
1,..,n
ни одно свободное вхождение в φ
переменной
xi
не входит в подформулу φ
вида
yφ1
или
yφ1,
где
у
— переменная,
входящая в ti.
Вместо
записи
будем
иногда писать φ(
t1,...,tn).
При
этом, наряду с тем, что переменные x1,...
,хn
в
записи φ(x1,...
,хn)
будут
всегда предполагаться попарно различными,
среди t1,...,tn
могут
быть равные термы.
Пример
. 1. Обозначим через φ
формулу
х
R(x,
у, z),
через
t1
— терм F1(y,z,u),
через
t2
— терм F2(F3(z),
w).
Результат
подстановки
равен
xR(x,
F1
(y,z,u),F2(F3(z),w)),
a
результат подстановки
равен
х
R(x,
F1(y,z,u),
F1(y,z,u)).
Заметим,
что результат последовательной
подстановки может не совпадать с
результатом одновременной подстановки.
2. Для формулы φ = х R(x, у, z) и терма t = F(y, x, и) запись (φ)ty недопустима, поскольку после подстановки терма t вместо свободной переменной у в формуле хR(x,F(y,x,u),z) вхождение переменной x в терм t становится связанным.
Аксиомами ИПС являются следующие секвенции:
φ├φ, где φ — формула сигнатуры Σ;
├(xx), где x— переменная;
(t1q1),...,( tnqn), ├
где t1,...,tn , q1,...,qn — термы сигнатуры Σ, φ — формула, удовлетворяющая условиям на записи и
Правила вывода ИПС задаются следующими записями, где Г — произвольные (возможно пустые) конечные последовательности формул ИΠСΣ, φ, ψ, χ — произвольные формулы ИПС:
(введение Λ).
(удаление ).
(удаление ).
(введение ).
(введение ).
(удаление , или правило разбора двух случаев).
(введение →).
(удаление →).
(удаление , или доказательство от противного).
(выведение противоречия)
(перестановка посылок).
(утончение, или правило лишней посылки).
где
переменная х не входит свободно в
формулы из Г (введение
справа)
(введение
слева)
(введение
справа)
где
переменная х не входит свободно в ψ и
в формулы из Г (введение
слева)
Понятия линейного доказательства в ИПС, доказательства в виде дерева в ИПС, доказуемой в ИПС секвенции (теоремы ИПС) и доказуемой в ИПС формулы определяются аналогично соответствующим понятиям ИС на основе аксиом 1-3 и правил вывода 1-16. Также аналогично предложению 1.2.1 устанавливается
Предложение 1. Секвенция S имеет доказательство в ИПС в виде дерева тогда и только тогда, когда S — теорема ИПС.
Пример. Приведем доказательство секвенции хyφ(x,y)├yхφ(х,у) в виде дерева для любой формулы φ(х,у):
Следующая теорема является синтаксическим аналогом теоремы 2.1.2 и позволяет преобразовывать доказуемые формулы ИС в доказуемые формулы ИПС.
Теорема 2. Пусть φ(Αι,..., Αn) — доказуемая формула ИС, φ1,...,φn — формулы сигнатуры Σ. Тогда в результате подстановки формул φ1,...,φn вместо всех соответствующих вхождений пропозициональных переменных Αι,..., Αn образуется доказуемая в ИПС формула φ(φ1,...,φn).
Доказательство. Пусть D — дерево доказательства секвенции ├ φ (Αι,..., Αn) в ИС. Тогда, заменяя в дереве D переменные Αι,..., Αn соответственно на φ1,...,φn, а остальные пропозициональные переменные — на формулу (x х), получаем дерево D1, являющееся деревом доказательства секвенции ├ φ(φ1,...,φn).
Предложение 3. Для любой формулы φ, удовлетворяющей условиям на запись , в ИПС доказуемы следующие секвенции:
x1,…,xn├
├ x1,…,xn
Доказательство.
а) Пусть
y1,…,yn
– попарно
различные переменные, не входящие в
,
в t1,…,tn
и отличных
от x1,…,xn.
Для
k=1..n
имеет место
равенство:
т.е. одновременная подстановка совпадает
с последовательной, (т.к. yi
так выбраны)
и выполнены все условия на запись
формулы. Тогда следующее дерево будет
доказательством в ИПС:
обозначим
=.
Для
выполнено условие на запись
и для всех k=1..n
,
тогда
т.е. секвенция
доказуема. Т.к.
,
то доказана секвенция
.
Осталось применить правило сечения к
данным секвенция:
пункт b) доказать аналогично с помощью правил 15 и 16.
Предложение 4. В ИПС допустимы правила а) …о) и
п)
(подстановка
термов)
р)
(удаление
)
Доказательство. Первые 14 правил доказываются как и в ИС. Докажем правило п). Будем использовать Предложение 3.
докажем р):
.
Покажем, что для отношения на множестве термов доказуемы обычные свойства равенства (рефлексивности, симметричности и транзитивности), т.е. доказуемо в ИПС , что — отношение эквивалентности.
Предложение 5. Для любых термов t,q,r Τ(Σ) следующие секвенции доказуемы в ИПС:
├(tt);
(tq)├(qt);
(tq),(qr)├(tr).
Доказательство. Доказуемость секвенции ├ (tt) устанавливается применением допустимого правила (п) из предложения.4:
Для доказательства
секвенции (б) рассмотрим аксиому
которая
равна секвенции (tq),(
tt)├
(qt).
Выпишем
дерево, которое с участием этой аксиомы
представляет доказательство свойства
симметричности:
Доказуемость секвенции (в) устанавливает следующее дерево:
.
Пусть A = <Α;Σ> — алгебраическая система, S = S(x1,..., xn) — секвенция ИПС, все свободные переменные формул которой содержатся среди x1,..., xn. Будем говорить, что секвенция S истинна на элементах a1,...,an А в алгебраической системе A и писать A ╞ S(a1,...,an), если выполняется одно из следующих условий:
S равна φ1,..., φn ├ψ и из A |= φi(a1,...,an) для всех i = 1,... n следует A ╞ ψ(a1,...,an);
S равна φ1,..., φn ├ и хотя бы одна из формул φ1,..., φn ложна на элементах a1,...,an А в алгебраической системе A.
Если секвенция S не истинна на элементах a1,...,an А в алгебраической системе A, то будем говорить, что S ложна на элементах a1,...,an А в A. В частности, секвенция ├ ложна на любой алгебраической системе.
Секвенция S = S(x1,..., xn) в ИПС называется тождественно истинной, если S истинна на любых элементах a1,...,an А в любой алгебраической системе A = <Α; Σ>.
В дальнейшем нам предстоит доказать теорему о полноте для исчисления предикатов, установленную К. Гёделем и утверждающую, что класс доказуемых в ИПС секвенций совпадает с классом тождественно истинных секвенций ИПС. Одна часть этого утверждения — это
Теорема 6. (теорема о непротиворечивости ИПС). Если секвенция S доказуема в ИПС, то S тождественно истинна. В частности, не все формулы ИПС доказуемы в ИПС.
Доказательство проводится индукцией по высоте дерева доказательства секвенции S. Тождественная истинность аксиом ИПС очевидна. Проверку сохранения тождественной истинности при переходе по правилам 1-16 мы проведем на примере правила 14
оставив рассмотрения остальных правил в качестве упражнения. Итак, пусть секвенция Г, (φ)tx├ψ тождественно истинна, т.е. в предположении истинности в системе A = <Α; Σ> на каких-то элементах a1,...,an А всех формул из Г и формулы (φ)tx мы имеем A |= ψ(a1,...,an). Если в системе A на каких-то элементах a1,...,an А истинны все формулы из Г и формула х φ, то, в частности, будет справедливо A ╞ ψ(a1,...,an). Значит, по условию будет верно A╞ ψ(аι,..., αη). Следовательно, секвенция Г, x φ├ψ тождественно истинна.
