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「van Dalen,邏輯與結構」筆記:命題邏輯

Posted on:2024年1月28日 at 下午04:29
「van Dalen,邏輯與結構」筆記:命題邏輯

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命題與連接詞

定義 1.1 命題邏輯的語言

命題邏輯的語言由下列符號組成:

  1. 命題符號:p0p_0, p1p_1, p2p_2, …,
  2. 連詞:\vee, \wedge, \rightarrow, ¬\neg, \leftrightarrow, \bot
  3. 輔助符號:((, ))

定義 1.2 命題集合 PROPPROP

命題集合 PROPPROP 是符合下述性質的最小集合 XX

  1. piX(iN)p_i \in X(i \in N)X\bot\in X
  2. ϕ,ψX(ϕψ),(ϕψ),(ϕψ),(ϕψ)X\phi,\psi \in X \Rightarrow (\phi\vee\psi), (\phi\wedge\psi), (\phi\rightarrow\psi), (\phi\leftrightarrow\psi) \in X
  3. ϕX(¬ϕ)X\phi\in X\Rightarrow(\neg\phi)\in X

註:

  1. pip_i\bot 稱為原子命題(atomic proposition),構成的集合定義為 ATOMATOM
  2. \Rightarrow」是表達「若…則…」的後設邏輯語言,ϕ,ψ\phi, \psi 也是。
  3. 這裡「最小」的意義是集合上最小的,保證了 PROPPROP 的唯一性。
  4. \bot 為這個集合中的邏輯常數(logic constant)
  5. 輔助符號不可省略。
  6. 這三項性質定義了三種顯然排他的形式。

定理 1.3 歸納法原理

AA 是一個性質,若下述條件成立,則:若 ϕPROP\phi \in PROPA(ϕ)A(\phi) 成立。

  1. 對任意 iiA(pi)A(p_i);以及A()A(\bot)
  2. A(ϕ),A(ψ)A((ϕψ))A(\phi), A(\psi) \Rightarrow A((\phi \square \psi))
  3. A(ϕ)A((¬ϕ))A(\phi) \Rightarrow A((\neg \phi))

證明:

  1. X={ϕPROPA(ϕ)}X = \{ \phi \in PROP | A(\phi)\}XPROPX \subset PROP
  2. XX 滿足 1.2 的所有定義,因此 PROPXPROP \subset X
  3. 因此,X=PROPX = PROP

註: \square 是所有二元連接詞的統稱。

定義 1.4 構成序列 formation sequence

序列 ϕiin(ϕn=ϕ)\langle \phi_i | i \leq n \rangle (\phi_n = \phi) 稱為 ϕ\phi 的構成序列,若對於所有 ii,滿足下述條件:

  1. ϕi\phi_i 是原子命題,或
  2. ϕi=(ϕjϕk)\phi_i = (\phi_j \square \phi_k)j,k<ij,k<i,或
  3. ϕi=(¬ϕj)\phi_i = (\neg \phi_j)j<ij<i

定理 1.5 構成序列與命題的充要條件

PROPPROP 是所有有構成序列的命題的集合。

證明:以 1.3 歸納法原理證明這個集合滿足 1.2 定義的所有性質。

定理 1.6 遞迴性定義 recursive definition

H:A2AH_\square: A^2 \rightarrow AH¬:AAH_\neg: A \rightarrow AHat:AATOMAATOMH_{at}: A|_{ATOM} \rightarrow A|_{ATOM},則存在唯一的 F:PROPAF: PROP \rightarrow A,滿足下述條件:

  1. F(ϕ)=Hat(ϕ)F(\phi) = H_{at}(\phi),對所有 ϕATOM\phi \in ATOM
  2. F((ϕψ))=H(F(ϕ),F(ψ))F((\phi \square \psi)) = H_\square(F(\phi), F(\psi))
  3. F((¬ϕ))=H¬(F(ϕ))F((\neg \phi)) = H_\neg(F(\phi))

證明:

  1. 存在性證明:以 1.3 歸納法原理證明對於所有的命題 FF 都有定義。
  2. 唯一性證明:以 1.3 歸納法原理證明,對於任一滿足上述條件的 G:PROPAG: PROP \rightarrow A,則 G=FG = F

例子:

1. 語句的剖析樹(parsing tree)因此是合法且唯一的。

2. 語句 ϕ\phi 的秩(rank) r(ϕ)r(\phi) 因此也是合法且唯一的:

  1. r(ϕ)=0r(\phi) = 0,若 ϕATOM\phi \in ATOM
  2. r((ϕψ))=max(r(ϕ),r(ψ))+1r((\phi \square \psi)) = \max(r(\phi), r(\psi)) + 1
  3. r((¬ϕ))=r(ϕ)+1r((\neg \phi)) = r(\phi) + 1

3. 語句 ϕ\phi 的子構句(subformula)的集合 Sub(ϕ)Sub(\phi) 因此也是合法且唯一的:

  1. Sub(ϕ)={ϕ}Sub(\phi) = \{ \phi \},若 ϕATOM\phi \in ATOM
  2. Sub((ϕψ))=Sub(ϕ)Sub(ψ){(ϕψ)}Sub((\phi \square \psi)) = Sub(\phi) \cup Sub(\psi) \cup \{ (\phi \square \psi) \}
  3. Sub((¬ϕ))=Sub(ϕ){(¬ϕ)}Sub((\neg \phi)) = Sub(\phi) \cup \{ (\neg \phi) \}

定理 1.7 秩的歸納法原理

對於所有 ϕPROP\phi \in PROP與性質 A,若滿足下述條件,則 A(ϕ)A(\phi) 成立:

證明:1.7 的歸納法原理與 1.3 歸納法原理等價。

語義學 semantics

定義 2.1 賦值函數

v:PROP{0,1}v: PROP \rightarrow \{0,1\} 稱為賦值函數(valuation function),若對於所有 ϕ,ψPROP\phi, \psi \in PROP,滿足下述條件:

  1. v(ϕψ)=min(v(ϕ),v(ψ))v(\phi \wedge \psi) = \min(v(\phi), v(\psi))
  2. v(ϕψ)=max(v(ϕ),v(ψ))v(\phi \vee \psi) = \max(v(\phi), v(\psi))
  3. v(ϕψ)=max(1v(ϕ),v(ψ))v(\phi \rightarrow \psi) = \max(1 - v(\phi), v(\psi))
  4. v(ϕψ)=1v(ϕ)v(ψ)v(\phi \leftrightarrow \psi) = 1 - |v(\phi) - v(\psi)|
  5. v(¬ϕ)=1v(ϕ)v(\neg \phi) = 1 - v(\phi)
  6. v()=0v(\bot) = 0

註:我們開始省略輔助符號。

定理 2.2 賦值函數的唯一性

對原子命題賦值相同的賦值函數是唯一的。

證明:根據定理 1.6。

註:

  1. 由於定義 2.1 是遞迴的,也就是說 vv 可以只定義在 ATOMATOM 上,然後擴展到 PROPPROP 上。
  2. vv 是一個賦值,對於一個語句 vv,它的值可以寫作 ϕv\llbracket \phi \rrbracket_v

定義 2.3 模型

  1. ϕ\phi 是恆真句(tautology),若對於所有 vvv(ϕ)=1v(\phi) = 1。寫作 ϕ\models \phi
  2. Γ\Gamma 是命題集合,Γϕ\Gamma\models \phi 表示對於所有 vv,若 v(ψ)=1,ψΓv(\psi) = 1, \psi\in\Gamma,則 v(ϕ)=1v(\phi) = 1

註:可以寫作 ϕ=1\llbracket \phi \rrbracket = 1

定義 2.4 取代

ϕ[ψ/p](pATOM)\phi[\psi / p] (p \in ATOM) 表示:

  1. ϕATOM\phi \in ATOMϕp\phi \neq p,則 ϕ[ψ/p]=ϕ\phi[\psi / p] = \phi
  2. ϕ=p\phi = p,則 ϕ[ψ/p]=ψ\phi[\psi / p] = \psi
  3. (ϕ1ϕ2)[ψ/p]=ϕ1[ψ/p]ϕ2[ψ/p](\phi_1 \square \phi_2)[\psi / p] = \phi_1[\psi / p] \square \phi_2[\psi / p]
  4. (¬ϕ)[ψ/p]=¬ϕ[ψ/p](\neg \phi)[\psi / p] = \neg \phi[\psi / p]

定理 2.5 取代定理

ϕ1ϕ2\models \phi_1 \leftrightarrow \phi_2,則 ϕ1[ψ/p]ϕ2[ψ/p]\models \phi_1[\psi / p] \leftrightarrow \phi_2[\psi / p]

引理 2.6 取代定理的推廣

  1. ϕ1ϕ2vψ[ϕ1/p]ψ[ϕ2/p]v\llbracket \phi_1 \leftrightarrow \phi_2 \rrbracket _v \leq \llbracket \psi[\phi_1 / p] \leftrightarrow \psi[\phi_2 / p] \rrbracket _v
  2. (ϕ1ϕ2)(ψ[ϕ1/p]ψ[ϕ2/p])\models (\phi_1 \leftrightarrow \phi_2) \rightarrow (\psi[\phi_1 / p] \leftrightarrow \psi[\phi_2 / p])

證明:歸納法原理。

命題邏輯的諸性質

沒寫的證明都是歸納法。

性質 3.1

結合律:

  1. (ϕψ)σϕ(ψσ)\models (\phi \lor \psi) \lor \sigma \leftrightarrow \phi \lor (\psi \lor \sigma)
  2. (ϕψ)σϕ(ψσ)\models (\phi \land \psi) \land \sigma \leftrightarrow \phi \land (\psi \land \sigma)

交換律:

  1. (ϕψ)(ψϕ)\models (\phi \lor \psi) \leftrightarrow (\psi \lor \phi)
  2. (ϕψ)(ψϕ)\models (\phi \land \psi) \leftrightarrow (\psi \land \phi)

分配律:

  1. (ϕ(ψσ))((ϕψ)(ϕσ))\models (\phi \lor (\psi \land \sigma)) \leftrightarrow ((\phi \lor \psi) \land (\phi \lor \sigma))
  2. (ϕ(ψσ))((ϕψ)(ϕσ))\models (\phi \land (\psi \lor \sigma)) \leftrightarrow ((\phi \land \psi) \lor (\phi \land \sigma))

笛摩根律:

  1. ¬(ϕψ)(¬ϕ¬ψ)\models \neg (\phi \lor \psi) \leftrightarrow (\neg \phi \land \neg \psi)
  2. ¬(ϕψ)(¬ϕ¬ψ)\models \neg (\phi \land \psi) \leftrightarrow (\neg \phi \lor \neg \psi)

冪等律:

  1. ϕϕϕ\models \phi \lor \phi \leftrightarrow \phi
  2. ϕϕϕ\models \phi \land \phi \leftrightarrow \phi

雙重否定:

性質 3.2

ϕϕ\models \phi \rightarrow \phi,則:

  1. ϕψϕ\models \phi \land \psi \leftrightarrow \phi
  2. ϕψϕ\models \phi \lor \psi \leftrightarrow \phi

性質 3.3

  1. ϕϕψψ\models \phi \Rightarrow \models \phi \land \psi \leftrightarrow \psi
  2. ϕϕψψ\models \phi \Rightarrow \models \phi \lor \psi \leftrightarrow \psi
  3. ϕϕ\models \bot \lor \phi \leftrightarrow \phi
  4. ϕϕ\models \top \land \phi \leftrightarrow \phi

性質 3.4

  1. (ϕψ)(ϕψ)(ψϕ)\models (\phi \leftrightarrow \psi) \leftrightarrow (\phi \rightarrow \psi) \land (\psi \rightarrow \phi)
  2. (ϕψ)(¬ϕψ)\models (\phi \rightarrow \psi) \leftrightarrow (\neg \phi \lor \psi)
  3. ¬ϕ(ϕ)\neg \phi \leftrightarrow (\phi \rightarrow \bot)
  4. ϕ¬ϕ\models \bot \leftrightarrow \phi \land \neg \phi

引理 3.5 等同關係 \approx

ϕϕ\phi\approx\phi 是在 PROPPROP 上的等同關係,ϕψ\phi\approx\psi 表示 ϕψ\models \phi \leftrightarrow \psi

定理 3.6 ¬,\neg, \lor 的語義完備性

δ\delta 是一個 n 元邏輯連詞,ff 是一個函數,使得 δ(p1,...,pn)=f(p1,...,pn)\llbracket\delta(p_1,...,p_n)\rrbracket = f(\llbracket p_1 \rrbracket,...,\llbracket p_n \rrbracket),則我們說 δ\delta 是由其賦值函數所定義的。

對於由其賦值函數所定義的 n-元邏輯連詞 δ\delta,存在只由 p1,...,pn,¬,p_1,...,p_n, \neg, \lor 構成的語句 ϕ\phi,使得 ϕδ(p1,...,pn)\models \phi \leftrightarrow \delta(p_1,...,p_n)

註:奇怪的是 van Dalen 的「由其賦值函數所定義」的這個定義不包含 ff,我看來這不符合定義規範。這裡的 ff 實際上也不是一個賦值函數,它的定義域是 {0,1}n\{0,1\}^n,而值域是 {0,1}\{0,1\},也就是說 ff 是一個(有限)布林函數。

定理 3.6 修正

給定一個 nn 維布林函數 ff,存在只包含 ,¬\lor, \neg 連詞的語句 ϕ\phi,使得對於所有賦值 vvv(ϕ(p1,...,pn))=f(v(p1),...,v(pn))v(\phi(p_1,...,p_n)) = f(v(p_1),...,v(p_n))

定義 3.7 連續連詞

1 選言

i=00ϕi=ϕ0\bigvee_{i=0}^0 \phi_i = \phi_0

i0n+1ϕi=(i0nϕi)ϕn+1\bigvee_{i \leq 0}^{n+1} \phi_i = (\bigvee_{i \leq 0}^n \phi_i) \lor \phi_{n+1}

2 連言

i=0nϕi=ϕ0\bigwedge_{i = 0}^n \phi_i = \phi_0

i0n+1ϕi=(i0nϕi)ϕn+1\bigwedge_{i \leq 0}^{n+1} \phi_i = (\bigwedge_{i \leq 0}^n \phi_i) \land \phi_{n+1}

定義 3.8 標準式

ϕ=jiϕi,j\phi = \bigwedge_j\bigvee_i\phi_{i,j},其中 ϕi,j\phi_{i,j} 是原子命題或帶 ¬\neg 連詞的原子命題,稱為連言標準式(conjunctive normal form)。

ϕ=jiϕi,j\phi = \bigvee_j\bigwedge_i\phi_{i,j},其中 ϕi,j\phi_{i,j} 是原子命題或帶 ¬\neg 連詞的原子命題,稱為選言標準式(disjunctive normal form)。

定理 3.9 標準式的存在性

對於任意語句 ϕ\phi,存在連言標準式 ϕ\phi^\land 與選言標準式 ϕ\phi^\lor,使得 ϕϕϕ\models \phi \leftrightarrow \phi^\land \leftrightarrow \phi^\lor

定義 3.10 否定函數

:PROPPROP\star: PROP \rightarrow PROP 遞迴定義如下:

  1. ϕ=¬ϕ\phi^\star = \neg \phi,若 ϕATOM\phi \in ATOM
  2. (ϕψ)=(ϕψ)(\phi \lor \psi)^\star = (\phi^\star \land \psi^\star)
  3. (ϕψ)=(ϕψ)(\phi \land \psi)^\star = (\phi^\star \lor \psi^\star)
  4. (¬ϕ)=¬ϕ(\neg \phi)^\star = \neg \phi^\star

性質 3.11 否定函數的性質

ϕ¬ϕ\phi^{\star} \approx \neg \phi

定義 3.12 共軛函數 duality function

共軛函數 d:PROPPROPd: PROP \rightarrow PROP 遞迴定義如下:

  1. ϕd=ϕ\phi^d = \phi,若 ϕATOM\phi \in ATOM
  2. (ϕψ)d=ϕdψd(\phi \lor \psi)^d = \phi^d \land \psi^d
  3. (ϕψ)d=ϕdψd(\phi \land \psi)^d = \phi^d \lor \psi^d
  4. (¬ϕ)d=¬ϕd(\neg \phi)^d = \neg \phi^d

定理 3.13 共軛定理

ϕψ\models \phi \leftrightarrow \psi,則 ϕdψd\models \phi^d \leftrightarrow \psi^d

自然演繹法

定義 4.1 自然演繹法的演繹集合

演繹集合是最小的滿足下面性質的樹的集合 (X,<)(X, <)x(ϕ)x(\phi) 表示 xx 是一棵以 ϕ\phi 為根的樹):

  1. 對於任何 ϕPROPS\phi \in PROPS,樹 ϕX{\phi} \in X
  2. x1(ϕ),x2(ψ)Xx_1(\phi), x_2(\psi) \in X,則 x(ϕψ)Xx(\phi \land \psi) \in X,其中 xx 是使得 x1,x2<xx_1, x_2 < x 的最小樹,為了簡化,我們將這關係表述為 x1,x2<sxx_1, x_2 <_s x
  3. x(ϕψ)Xx(\phi \land \psi) \in X,則存在樹 x1+(ϕ)Xx^+_1(\phi) \in Xx2+(ψ)Xx^+_2(\psi) \in X(滿足 x<sx1+,x2+x <_s x^+_1, x^+_2)。
  4. 若所有葉節點均為 ϕ\phi 的樹 x(ψ)Xx(\psi) \in X,則令 x+(ϕψ)x^+(\phi \rightarrow \psi)(滿足 x<sx+x <_s x^{+}),將 x+x^+ 的所有葉節點標記為 [ϕ][\phi] 的樹 xXx^* \in X
  5. x1(ϕ),x2(ϕψ)Xx_1(\phi), x_2(\phi \rightarrow \psi) \in X,則 x(ψ)Xx(\psi) \in X(滿足 x1,x2<sxx_1, x_2 <_s x)。
  6. x()Xx(\bot) \in X,則 x+(ϕ)Xx^{+}(\phi) \in X(滿足 x<sx+x <_s x^{+})。
  7. 若根是 \bot 的樹 xXx \in X 的所有葉節點均為 ¬ϕ\neg \phi,則令 x+(ϕ)x^+(\phi)(滿足 x<sx+x <_s x^{+}),將 x+x^+ 的所有葉節點標記為 [¬ϕ][\neg \phi] 的樹 xXx^* \in X

註:

  • [ϕ][\phi] 的標記表示 ϕ\phi 是一個可消除的假設。
  • 給定任意一棵演繹樹,我們可以定義前提集合 Γ\Gamma:所有不可消除的葉節點的集合。而結論則是樹的根節點。

定義 4.2 可推導性

引理 4.3 可推導性的性質

證明:由自然演繹法直接證明。

定理 4.4 一些定理

證明:由自然演繹法直接證明。

完備性

證明沒寫的代表太瑣碎了。

引理 5.1 健全性

Γϕ\Gamma \vdash \phi,則 Γϕ\Gamma \models \phi

證明:以歸納法直接證明。

定義 5.2 一致性

Γ\Gamma 是一致的,若 Γ⊬\Gamma \not\vdash \bot

引理 5.3 等價性質

以下條件是等價的:

  1. Γ\Gamma 不是一致的。
  2. 存在 ϕ\phi 使得 Γϕ\Gamma \vdash \phiΓ¬ϕ\Gamma \vdash \neg \phi
  3. 對於所有 ϕ\phiΓϕ\Gamma \vdash \phi

引理 5.4 等價性質

以下條件是等價的:

  1. Γ\Gamma 是一致的。
  2. 不存在 ϕ\phi 使得 Γ⊬ϕ\Gamma \not\vdash \phiΓ⊬¬ϕ\Gamma \not\vdash \neg \phi
  3. 存在 ϕ\phi 使得 Γ⊬ϕ\Gamma \not\vdash \phi

引理 5.5

若存在賦值 vv 使得 ϕv=1,ϕΓ\llbracket \phi \rrbracket_v = 1, \forall \phi \in \Gamma,則 Γ⊬\Gamma \not \vdash \bot

定理 5.6

Γ{ϕ}Γ¬ϕ\Gamma \cup \{ \phi \} \vdash \bot \Rightarrow \Gamma \vdash \neg \phi

證明:根據引理 5.1。

定義 5.7 最大一致集合

Γ\Gamma 是最大一致的,若且唯若

引理 5.8 最大一致集存在引理

對於任意的 Γ⊬\Gamma \not \vdash \bot,存在 Γ\Gamma^\star 是最大一致的,且 ΓΓ\Gamma\subset\Gamma^\star

證明:定義 Γi\langle \Gamma_i \rangle 序列如下:

  • Γ0=Γ\Gamma_0 = \Gamma
  • Γi{ϕi}⊬\Gamma_i \cup \{ \phi_i \} \not \vdash \botΓi+1=Γi{ϕi}\Gamma_{i+1} = \Gamma_i \cup \{ \phi_i \},否則 Γi+1=Γi\Gamma_{i+1} = \Gamma_i
  • Γ=iΓi\Gamma^\star = \bigcup_i \Gamma_i

其中 ϕi\langle \phi_i \rangle 是給所有的命題語句的一個排序。

可以證明 Γ\Gamma^\star 是最大一致的。

引理 5.9

Γ\Gamma 是最大一致的,則 Γ\Gamma 是演繹封閉的。

定理 5.10

Γ\Gamma 是最大一致的,則:

  1. 對於所有 ϕ\phi 要嘛 ϕΓ\phi\in\Gamma 要嘛 ¬ϕΓ\neg\phi\in\Gamma
  2. 對於所有 ϕ,ψ\phi, \psiϕψΓ\phi\rightarrow\psi\in\Gamma 若且唯若 ϕΓψΓ\phi\in\Gamma\Rightarrow\psi\in\Gamma
  3. ϕΓ\phi\in\Gamma 若且唯若 ¬ϕ∉Γ\neg\phi\not\in\Gamma
  4. ¬ϕΓ\neg\phi\in\Gamma 若且唯若 ϕ∉Γ\phi\not\in\Gamma

引理 5.11 模型存在引理

Γ\Gamma 是一致的,存在賦值 vv 使得 ϕv=1,ϕΓ\llbracket \phi \rrbracket_v = 1, \forall \phi \in \Gamma

證明:

定義 Γ\Gamma^\star 是最大一致的,且 ΓΓ\Gamma\in\Gamma^\star

定義 v(pi)=1,piΓv(p_i) = 1, p_i\in\Gamma^\starv(pi)=0,pi∉Γv(p_i) = 0, p_i\not\in\Gamma^\star,並遞迴地擴充成賦值函數。

以歸納法證明:ϕv=1\llbracket \phi \rrbracket_v = 1 若且唯若 ϕΓ\phi \in \Gamma^\star

推論 5.12

Γ⊬ϕ\Gamma\not\vdash\phi,存在賦值 vv 使得 ψv=1,ψΓ\llbracket \psi \rrbracket_v = 1, \forall \psi \in \Gammaϕv=0\llbracket \phi \rrbracket_v = 0

亦即:若 Γ⊬ϕ\Gamma\not\vdash\phi,則 Γ⊭ϕ\Gamma\not\models\phi

定理 5.13 完備性定理

Γϕ\Gamma \models \phi 若且唯若 Γϕ\Gamma \vdash \phi

其他連接詞

定義 6.1 三個連接詞

引理 6.2 諸性質

定理 6.3

到此為止。