Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКА И ТЕОРИЯ АЛГОРИТМОВ

.pdf
Скачиваний:
112
Добавлен:
03.05.2015
Размер:
443.07 Кб
Скачать

3 . Г, В├А и Г├В, то Г├А (выводимые гипотезы можно исключать из списка гипотез, при этом выводимость данной формулы не нарушается).

Доказательство: Нужно в данный вывод формулы А подставлять вместо В ее вывод из Г, получим тем самым вывод формулы А из Г.

4 . Если из Г├А и А├В, то Г├В ( свойство транзитивности вывода).

Доказательство: В выводе А├В каждое вхождение формулы А следует заменить ее выводом из Г (Г├А), в результате получится искомый вывод.

5 . Если из Г, А, А├В, то Г, А├В (свойство сокращения). Доказательство: Повторяющиеся гипотезы из списка можно исключать. Данный вывод будет и искомым.

6 . Если из Г, А, В├С, то Г, В, А├С (свойство коммутативности). Гипотезы в списке можно менять местами.

Теорема дедукции

(Доказал венгерский математик ЭРБРАН).

Эта теорема позволяет упростить многие доказательства. Т. Если Г, А├В, то Г├А В.

Г, А├В

Г├А В

Суть теоремы заключается в следующем: если из посылок А (множество гипотез Г может быть пустым) выводимо по правилам логики некоторое заключение В, то импликация А В доказуема, т.е. выводима уже без всяких посылок, из одних аксиом, которые являются логически истинными предложениями. В процессе доказательства позволяет вводить допущения, а потом освобождаться от них.

Дано: дан вывод формулы В из Г, А.:

(1)F1, F2, …, Fn=B.

Доказать: формула А В выводима из множества гипотез

Г.

31

Доказательство: Построим вспомогательную последовательность формул:

(2) А F1, А F2, …, А Fn=А B. Она заканчивается нужной нам формулой. Докажем, что дополнив последовательность (2) некоторыми подходящими формулами, мы сможем получить из нее искомый вывод.

Доказательство будем проводить М.М.И. по длине вывода n формулы В.

I. Построение базиса математической индукции. Пусть n=1.

Дано: Г, А├В, длина вывода формулы В равна 1, т.е. F1=В.

Доказать: выводима формула А F1 (Г├А F1). Возможны случаи: F1 является либо аксиомой, либо гипо-

тезой из Г, либо совпадает с А. Рассмотрим их. (Для определенности знак выводимости будем опускать).

1) F1 – аксиома. Требуется получить: Г├А F1. Построим

вывод:

 

 

1.

F1

аксиома

2. F1 (А F1)

(А1)

3.

А F1

МР к 1, 2.

В последовательность (2) следует записать перед А F1

формулы 1 и 2.

 

2) F1 – гипотеза из списка Г.

1.

F1

гипотеза

2. F1 (А F1)

(А1)

3.

А F1

МР к 1, 2

Вывод аналогичен предыдущему.

3) F1 совпадает с А. Надо доказать: Г├А А. Вывод формулы ├ А А построен (см. пример 1 – 5 формул). По свойству 2 можно записать Г├ А А.

II. Индуктивный шаг.

32

Предположим, что теорема дедукции верна для любого n<k, т.е. для всех n<k из Г├А Fn.

Докажем, что тогда при n=k из Г├А Fk, или Г├А В. Возможны 4 случая:

1) Fk – аксиома. Требуется получить: Г├А Fk. Запишем вывод, который аналогичен п1 при построении базиса:

1.

Fk

аксиома

2. Fk (А Fk)

(А1)

3.

А Fk

МР к 1, 2.

В последовательность (2) следует записать перед А F1

формулы 1 и 2.

 

2) Fk – гипотеза из списка Г.

1.

Fk

гипотеза

2. Fk (А Fk)

(А1)

3.

А Fk

МР к 1, 2.

Вывод аналогичен предыдущему.

3)Fk совпадает с А. Надо доказать: Г├А А. Вывод формулы ├ А А построен (см. пример 1 – 5 формул). По свойству 2 можно записать Г├А А.

4)Fk получается из двух предыдущих формул Fi и Fj (где i, j<k) по правилу МР. Будем для определенности считать, что Fi

малая посылка, Fj – большая посылка. Следовательно,

Fj=Fi Fk. Запишем последовательность формул:

А2: А (В С) ((А В) (А С)). Сделаем переобозначение

переменных: В на Fi, С на Fk

 

1. А (Fi Fk) ((А Fi) (А Fk))

(А2)

2.

А (Fi Fk) = А Fj по предположению: т.к. j<k

3. (А Fi) (А Fk)

 

МР к 1, 2.

4.

А Fi

по предположению: т.к. i<k

5.

А Fk

 

МР к 3, 4.

33

Впоследовательность (2) следует вставить формулы 1 и 3,

аостальные в ней уже есть. По принципу математической индукции теорема справедлива для любого натурального n:

Г├А Fn=А B.

Пример: доказать, что в (ИВ) выводима формула: (А В) ((В С) (А С)).

1)А В, В С, А├С – из предыдущего примера. Применим теорему дедукции; роль Г: А В, В С, получим:

2)А В, В С├А С – еще раз применим теорему дедукции, Г: А В

3)А В├(В С) (А С) еще раз применим теорему дедукции:

4) ├(А В) ((В С) (А С))

– Г= .

Располагая правилом МР: A, A B , которое теперь мож-

B

но записать в виде А В, А├В и теоремой дедукции ТД: если Г, А├В, то Г├А В (первое из них можно назвать удалением импликации, а второе – введением импликации) знаки выводимости и импликации можно взаимозаменять: ├ . Тогда все теоремы и аксиомы можно записать и применять еще в другом виде. Например,

(А3): B A A B

B A A B .

Доказывая теорему дедукции, мы использовали (А1) и (А2). Если теперь формулу, выражающую ТД объявить аксиомой, то тогда окажется, что (А1) и (А2) можно доказать как теоремы.

Пусть ТД верна: Г, А├В, то Г├А В. Докажем (А1): ├ А (В А). Выполним анализ:

Надо доказать выводимость:

А (В А)

по ТД достаточно доказать

А├В А

по ТД достаточно доказать

34

 

А, В├А

справедливо по свойству 1 .

Теперь можно записать вывод формулы:

1.

А, В├А

свойство 1 ,

2.

А├В А

1, ТД,

3. ├ А (В А)

2, ТД.

Докажем (А2): выполним анализ: ├ А (В С) ((А В) (А С))

 

по ТД достаточно доказать

А (В С)├(А В) (А С)

 

по ТД достаточно доказать

А (В С), А В├(А С)

 

 

по ТД достаточно доказать

А (В С), А В, АС.

Анализ позволяет заменить задачу более простой. Перепишем все гипотезы и построим доказательство:

1.

А (В С), А В, АВ

МР к списку гипотез;

2.

А (В С), А В, АВ С

МР к списку гипотез;

3. В, В СС

МР к 1,2;

4.

А (В С), А В, А ├С

свойство 4 к 1, 2, 3;

5. А (В С), А В├А С

4, ТД;

6. А (В С)(А В) (А С) 5, ТД; 7.├ А (В С) ((А В) (А С)) 6, ТД.

Производные правила вывода

Следующим шагом на пути построения формализованного исчисления высказываний является выявление дальнейших закономерностей процесса выведения одних формул из других и формулирование таких закономерностей в виде правил вывода. Получаемые вторичные правила вывода носят названия произ-

водных правил вывода (вторичных).

Эти правила называются правилами удаления или введения логических связок. Введем новые логические символы в качестве сокращения некоторых формул:

А В ~ A B,

35

А В ~ A&B.

ПРОИЗВОДНЫЕ ПРАВИЛА ВЫВОДА

Лог. связки

 

 

Введение лог. связок

 

Удаление лог. связок

 

 

1. Г, АВ

ТД

2.

 

 

 

ГА В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г, АВ

 

 

 

 

 

ГА В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

 

ГА

 

4.

 

 

 

 

Г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

Г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

&

 

7.

 

 

ГА, ГВ

 

8. Г, А&ВА

 

 

 

Г, А&ВВ

 

 

 

 

 

 

ГА&В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.Г, АА В

Г, ВА В

10. Г, АС, Г,

ВС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г, А ВС

 

 

 

 

 

 

Законы контрапозиции

6. Прямая контрапозиция

5. Обратная контрапозиция

 

Г, АВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

А

Г,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г, АВ

1. Г, АВ

ГА В

Доказано, т.к. это теорема дедукции.

2.ГА В

Г, АВ

Разновидность записи правила МР

1)ГА В……………........дано

2)Г, АА В………………из 1) по 2

3)Г, АА…………………...из 2) по 1

4)Г, АВ…………………...из 2), 3) по МР.

3.ГА

ГА

1)ГА……………………...дано

2)А А ………………….пример 5 из пред. лекции

36

3)ГА А ………………...из 2) по 2

4)ГА ……………………...из 1), 3) по МР.

4.ГА ГА

1)ГА …………………….дано

2)А А…………………пример 4 из пред. лекции

3)ГА А………………..из 2) по 2

4)ГА……………………...из 1), 3) по МР.

5.Г, В А

Г, А├В

1)Г ,В А …………………….дано

2)B A A B ………..А3

3)Г, АB A A B ……из 2) по 2

4)ГB A ……………………из 1) по ТД

5)Г, АB A …………………из 4) по 2

6)Г, АА В ………………….из 3), 5) по МР

7)Г, АА………………………..по 1

8)Г, АВ……………………….из 6), 7) по МР.

6.Г, А├В

Г, В А

1)Г, АВ……………………….дано

2)ВB …………………………вв.

3)Г, АB ……………………… из 1), 2) по 4 (транзитивн.)

4)Г , А, А B ………………….. из 3) по 2

5)Г , А А.………………………уд.

6)Г , А B ……………………...из 4), 5) по 3

7)Г , В А ………………………из 6) по обрат. контр.

37

7.Г├А, Г├В Г├А&В

1)ГА…………………дано

2)ГВ…………………дано

3)Г , А, В, А В В …МР к списку гипотез

4)Г , А, В, B А В ...прям. контрапозиция

5)Г, А, В B …………вв.

6)Г, А, В А В …….из 4), 5) по 3

7)Г, В А В …….….из 1), 6) по 3

8)ГА В …………...из 2), 7) по 3

9)ГА&В……………..из 8) сокращ. &–ей.

8.Г, А&ВА

1)Г, В, АА………...по 1

2)Г , А, АВ ………прямая контрапозиция

3)Г , А А В …….ТД

4)Г , А В А ……..прямая контрапозиция

5)Г , А В А………уд.

6)Г, А&ВА…………сокращение. &–ей.

9.Г, АА В

1)Г ,В ,А А ……….по 1

2)Г , А, А ├В………..обратн. контрапозиция

3)Г, АА В………ТД

4)Г, АА В………….сокращение –ей.

Анализ доказательства:

ГА&В

ГА В

Г, А,В А В

Г, А, А В В

Анализ доказательства:

Г, А&ВА

Г, А В А

Г, А В А

Г, А А В

Г, А, АВ

Г, В, АА

Анализ доказательства:

Г, АА В

Г, АА В

Г, А, А ├В

Г,В ,А А

38

10.

 

 

 

 

 

Г, АС; Г, ВС

 

правило разбора случаев

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г, А ВС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

Г, АС…………...дано

 

Анализ доказа-

2)

Г, ВС…………..дано

 

тельства:

3)

Г ,

 

 

 

 

 

………...прямая контрапоз. 1)

Г, А ВС

С

А

4)

Г ,

 

 

 

 

 

………...прямая контрапоз. 2)

 

Г ,

 

 

 

 

 

В С

 

 

 

 

 

А

С

B

5)

Г ,

 

 

 

 

&

 

 

 

 

 

 

 

…….из 3), 4) – введение &

 

Г ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

С

А

B

 

С

А

 

Г ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

……расшифровка &–ции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

А

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7)

 

 

 

 

 

 

В,

 

 

 

В……...МР к списку гипотез

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

А

А

 

 

А

 

В

 

А

8)

 

 

 

 

 

В,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

……..вв.

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

А

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

А

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9)

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

……ТД

 

 

 

А

А

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

А

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

В,

А

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10) А В А В …прямая контрапозиция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11)Г , С А В ……из 6), 10) по 4

12)Г , А В С…….обратн. контрапозиция

13)Г, А ВС…………сокращение –ей.

Замечания:

1) Правила введения и удаления двойного отрицания иногда записывают в виде:

Г , А А.……………уд.

Г, АА ……………..вв. .

2) Правило введения & иногда записывают в виде:

Г, А, ВА&В.

Пример. Доказать выводимость формулы: ├ А&B A B .

Анализ. В анализе мы используем правила удаления или введения логических символов, законы контрапозиции в об-

ратном порядке.

7) ├ А& B A B

6) А& B A B

5) А& B A B 4) А& B , AB

39

3) B, AА&B

 

2) B, AА

B, AВ 1)

1)1

2)удаление

3)введение & из 1) и 2)

4)ПК

5)введение

6)сокращение – ей

7)ТД

40