Тавтологии алгебры предикатов

Определение. Формула  называется тождественно истинной, если она тождественно истина в любой интерпретации M. Такая формула называется также общезначимой формулой, или тавтологией алгебры предикатов и обозначается . Множество всех тавтологий алгебры предикатов обозначим T_АП. .

Определение. Формула  называется тождественно ложной или противоречием, если она тождественно ложна в любой интерпретации M.

По определению противоречивость формулы  равносильна условию .

Определение. Формула  называется выполнимой, если она выполнима хотя бы в одной интерпретации M.

Любая тавтология алгебры высказываний является тавтологией алгебры предикатов. Более того, тавтологии алгебры высказываний дают возможность легко получать тавтологии алгебры предикатов с помощью следующего очевидного результата.

Лемма 1. Если – тавтология алгебры высказываний, то для любых формул алгебры предикатов формула является тавтологией алгебры предикатов.

С другой стороны, в алгебре предикатов можно получить много принципиально новых тавтологий с помощью следующих свойств кванторов.

Лемма 2. Для любых формул следующие формулы являются тавтологиями:

1. , ,

, ;

2. , ;

3. , ;

4. ,

,

5. ,

,

6. ,

,

если в формулу предметная переменная x не входит свободно;

7. , ,

если формула не содержит предметную переменную y и формула получается из заменой всех свободных вхождений переменной x на предметную переменную y.

Логическая равносильность формул алгебры предикатов

Определение. Формулы алгебры предикатов называется логически равносильными, если результат применения к ним логической операции эквивалентность является тавтологией.

В этом случае записывают , или просто .

Таким образом, означает, что .

Лемма 3. Пусть формула не содержит предметную переменную y и формула получается из заменой всех свободных вхождений переменной x на предметную переменную y.

Тогда формулы и будут логически равносильны соответственно формулам и , т.е. выполняются равенства:

и .

Теорема 4 (Законы де Моргана для кванторов). Для любой формулы справедливы следующие утверждения:

, ,

, .

Теорема 5 (Взаимосвязь кванторов с конъюнкцией и дизъюнкцией). Для любых формул справедливы следующие утверждения:

,

.

Если в предметная переменная x не входит свободно, то справедливы также утверждения:

, .

Теорема 6 (Взаимосвязь кванторов с импликацией). Если в формулу предметная переменная x не входит свободно, то для любой формулы справедливы следующие утверждения:

, .

Если же предметная переменная x не входит свободно в формулу , то для любой формулы справедливы утверждения:

, .

Следствие 7. Любая формула представляется в следующем виде:

,

где – некоторые кванторы и  – формула без кванторов.

Таким образом, каждая формула логически равносильна формуле , в которой все кванторы стоят в самом начале формулы и которая называется предваренной нормальной формой (сокращенно ПНФ) формулы .

Теорема (Взаимосвязь между кванторами). Для любой формулы справедливо равенство:

, .

С другой стороны, если в формулу предметные переменные x,y входят свободно, то равенство

не выполняется, так как в этом случае формула

не является тавтологией.