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

Непейвода. Прикладная логика

.PDF
Скачиваний:
901
Добавлен:
10.08.2013
Размер:
2.27 Mб
Скачать

11.2. ПРАВИЛА ЕСТЕСТВЕННОГО ВЫВОДА

301

Рассуждения, в которых применяется правило снятия двойного от-

рицания, называются непрямыми рассуждениями или доказательства-

ми от противного. Порою их путают с приведением к абсурду, но ло-

гический статус этих рассуждений совершенно разный: приведение к

абсурду является определением отрицания, а рассуждение от против-

ного

уже использование нетривиальных его свойств. Докажем теперь

важное выводимое правило: из противоречия следует все, что угодно.

Пусть доказаны A и ¬A. Выведем из них произвольное B.

 

 

¬B

 

 

 

¬B

 

 

 

AA

 

 

B

(11.1)

 

 

 

¬¬

 

Итак, доказываем B от противного. Предполагаем его отрицание и, вос-

пользовавшись уже имеющимся противоречием, приходим к ¬¬B, а от-

туда к B. Данный трюк нужен прежде всего затем, чтобы установить,

что правило из лжи следует все,

что угодно” ( ex falso quodlibet сред-

невековых логиков) не нуждается в том, чтобы быть постулированным

в нашей системе. Но пользоваться, конечно, теперь мы им будем.

Поскольку из любого противоречия следует все, что угодно, все про-

тиворечия для нас равноправны, и в качестве обозначения произвольно-

го противоречия возьмем логическую константу (ложь).

Докажем теперь важную теорему,

а именно: закон исключенного тре-

тьего. Тут даже не ясно сначала,

с какой стороны подступиться, посколь-

ку дизъюнкцию вроде бы надо выводить при помощи разбора случаев,

а разбирать нечего. Но рассуждая от противного, удается запутаться в

противоречиях, из которых нет другого выхода, кроме того, что при-

знать, что закон исключенного третьего не может быть ложным.

¬(A ¬A)

 

AA

 

 

 

A ?!

 

|

A ¬

 

(11.2)

 

¬

 

 

 

A

 

 

A

 

 

 

?!

 

 

 

¬

 

 

 

 

 

 

 

A)

 

 

(A

¬

¬¬

 

 

 

 

A ¬A

Получающиеся противоречия помечены знаком То что столь простая формула имеет столь неестественное доказательство?! , на самом деле до

, -

302

ГЛАВА 11. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВЫВОД

статочно глубокий факт Естественный вывод гораздо более тонкий ин струмент чем семантические. таблицы обладающий большой аналити- ческой силой, и легко модифицируемый, Здесь мы получаем первый сиг- нал о том что не все тавтологии классической. логики равноправны что- некоторые, из них могут иметь более высокий статус, чем другие. ,

11.2.4. Некоторые полезные выводимые правила

Рассмотрим еще несколько широко применимых выводимых правил Во первых опираясь на наше доказательство логического закона .

- можно, в любой момент разбирать случаи и Далее пользуA ясь¬A,тем что из лжи следует все что угодно можноA обосновать¬A. ,правило- известное, нам как сокращающее, в семантических, таблицах: ,

A B ¬A

Как известно этим правилом частоBпользовался Шерлок Холмс отбра сывая все возможные, случаи пока не оставался правильный А,из при- ведения к нелепости следует,правило modus tollens традиционной. ло-

-

гики

:

A B ¬B

После того как на практическом¬Aзанятии разобраны их выводы вы водимыми правилами, можно свободно пользоваться при решении задач, -

.

11.2.5. Кванторы

Перейдем теперь к кванторам. Как доказывается утверждение вида

x(A(x) B(x))?

Берется произвольное такое что и для него доказывается

В заключительнойчастиx, этого,приемаA(xлегко)узнать правило дедукцииB(x). для доказательства импликации Но вот что такое про извольное Ведь произвольногоA(xобъекта) B(xвообще). не бывает любой“ - взятый объектx?” конкретен ,

На самом деле и здесь. мы сталкиваемся с одной из важнейших сто рон математической абстракции Она может включать в себя доброволь- ный отказ от того чтобы пользоваться. некоторой информацией В част- ности в части ,Язык математики разбиралось определение. равен- ства Лейбница, 1,которое« по сути дела» говорит что мы не имеем права-

, , , ,

11.2. ПРАВИЛА ЕСТЕСТВЕННОГО ВЫВОДА

303

пользоваться какими либо свойствами различающими равные предме ты. Здесь происходит- аналогичное самоограничение, . -

Говоря что объект произволен мы лишаем себя права поль зоваться, какими либоx ранее установленными, фактами о дан - ном объекте. - -

Правила, касающиеся квантора , следующие:

Доказательство на примере:

Вспомогательная константа:

 

A(y | t)

 

x A(x)

 

x A(y | x)

 

A(cn+1)

Отметим две тонкости, которые имеются в этих правилах. Во-первых,

как и в семантических таблицах, вспомогательная константа должна быть

девственной, отсутствующей и в нашей сигнатуре, и в ранее постро-

енной части вывода. Но использоваться она может лишь внутри того

вспомогательного вывода, в котором была введена. Когда этот подвы-

вод заканчивается, заканчивается и ее область действия. Во-вторых, в

правиле доказательства на примере подстановка должна прослеживать-

ся в обратном направлении, от результата к примеру. Так что не обяза-

тельно все вхождения терма t в посылку должны заменяться на связыва-

емую переменную x. В частности, корректен переход по этому правилу

от z = z к x(z = x),

поскольку z

= z может рассматриваться как

результат подстановки z

вместо y в z = y.

Правила для всеобщности следующие:

Обобщениеx произволен:

· · ·

A(x)

Переход от общего к частному:

x A(x)

x A(x) A(x | t)

Во вспомогательном выводе правила обобщения не могут использовать ся никакие ранее появившиеся формулы содержащие свободно Ко -

нечно же выводы касающиеся произвольной, переменнойx делать.мож- но и нужно, но помогает, при этом лишь правило переходаx,от общего к- частному доказанное, общее утверждение содержащее связанно мо жет быть:использовано при любом конкретном, его значенииy в том, чи- сле и при x. , -

304

ГЛАВА 11. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВЫВОД

лу Рассмотрим пример доказательства с кванторами. Докажем форму-

x(A(x) B(x)) & x A(x) x B(x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(A(x) B(x)) & x A(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(A(x) B(x)) x A(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B(c )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(c1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

B(c )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(c )

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x B x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(A(x) B(x)) & x A(x)

 

x B(x)

 

 

В этом доказательстве имеется единственная тонкость. Пока не по-

явилось c1

,

не стоит переходить от общего к частному, чтобы не ском-

прометировать эту константу преждевременно. Следующее доказатель-

ство напоминает наш первый пример из данной главы, но с добавлением

квантора всеобщности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(A(x) B(x)) & x(B(x) C(x))

 

 

 

 

 

z

произвольно

 

 

 

 

x(B(x)

 

 

C(x))

 

 

 

 

 

 

x(A(x)

 

 

 

B(x))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(z)

 

B(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B(z)

C(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

)

 

 

C

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

(

z

)

 

 

 

 

(

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C(x))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(A(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(A(x)

 

 

 

 

B(x)) & x(B(x)

 

 

 

 

C(x))

 

x(A(x)

 

C(x))

В этом доказательстве интересно соотношение произвольных и не-

произвольных переменных. z

объявляется как произвольное, остается

произвольным до того момента, когда открывается еще один подвывод,

в нем оно уже не произвольно, поскольку от него зависит допущение,

но после его завершения z

вновь становится произвольным. Формулы

типа A(z) B(z)

не нарушают произвольности z,

поскольку следуют

из посылок,

не зависящих от значения z.

 

 

 

 

 

А вот следующий пример иллюстрирует типичную ошибку: мы до-

кажем”,

что поскольку все люди

 

мужчины или женщины,

то все люди

11.2. ПРАВИЛА ЕСТЕСТВЕННОГО ВЫВОДА

305

мужчины или все люди женщины.

 

x

произвольно

A(x) B(x)

 

x(A(x)

B(x))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(x)

 

 

 

 

 

 

B(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(x)

 

 

 

 

 

 

 

B(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x A x

 

 

 

 

 

 

 

 

x A(x)

 

 

 

 

x B x

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

x B(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x A(x)

x B(x)

 

 

 

x A(x) x B(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x A(x)

 

 

x B(x)

 

 

 

 

 

 

x(A(x)

 

 

B(x))

 

 

x A(x)

 

 

x B(x)

Здесь два структурных нарушения во первых допущение что про извольно используется не в том же подвыводе: - а, во вложенных, xи во - вторых в, этих вложенных подвыводах допущения, уже зависят, от - Если первое, из нарушений хотя бы не противоречит самому духу сиx. стемы, то второе, безусловно, противоречит всему. -

306

ГЛАВА 11. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВЫВОД

Упражнения к § 11.2

Рассмотрите следующее исправление внесенное в предыдущее 11.2.1.доказательство студенткой Примерной:,

x(A(x) B(x))

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

A

x

 

 

 

 

 

A(x)

(

 

)

 

B(x)

 

 

 

 

произвольно

 

 

 

 

произвольно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(x)

 

 

 

 

 

B(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x A(x)

 

 

 

 

 

 

x B(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x A(x) x B(x)

x(A(x) B(x)) x A(x) x B(x)

11.2.2.Докажите следующие формулы:

1.A & (B C) (A & B) (A & C)

2.(A & B) (A & C) A & (B C)

3.A (B & C) (A B) & (A C)

4.(A B) & (A C) A (B & C)

5.(A B C) & (C D) & (B ¬A) (A D)

6.(A & B C) & (E A) & (G B) & (¬G B) (E C)

7.(A & B C D) & ¬D (¬C & A ¬B)

8.(A B C) (A B) (A C)

9.(A & B C) (A C) (B C)

10.(A B C) (A C) & (B C)

11.((A B) A) A

12.((A B) C) & ((B A) D) C D

11.2.3.Докажите следующие формулы:

1.x(A(x) & B(x)) y A(y) & z B(z)

2.x( A(x) B(x)) & x ¬A(x) x B(x)

3.x(A(x) B(x)) & x ¬A(x) x B(x)

4.x(A(x) B(x)) & x(A(x) C(x)) & x(B(x)

C(x)) x C(x)

11.3. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВЫВОД КАК ГРАФ

307

5. x(A(x) B(x)) & x(A(x) C(x)) & x(B(x) D(x)) x(C(x) D(x))

6. y A(y) z B(z) x(A(x) B(x))

§ 11.3.

ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВЫВОД КАК ГРАФ

 

Здесь дается строгое определение естественного вывода через графы.

При этом выявляются еще два правила, обычно скрытые в традицион-

ной формулировке вывода как последовательности формул.

 

Прежде всего опишем типы вершин и ребер, присутствующих в гра-

фе вывода. Вершины делятся на формулы, описания, подвыводы и пра-

вила. Вершине-формуле приписывается формула; вершине-описанию

переменная либо вспомогательная константа; вершине-правилу

на-

именование этого правила. Формулы и описания часто объединяются

под именем информационных вершин. Далее, ребра делятся на три ти-

па. Использующие выходят из информационной вершины или подвыво-

да и заканчиваются в правиле; порождающие

выходят из правила и

заканчиваются в информационной вершине; структурные, или подчи-

няющие

выходят из подвывода и заканчиваются в информационной

вершине или подвыводе. Среди структурных ребер выделяются ребра

допущение и результат. На структурные ребра накладываются следу-

ющие

Условия иерархии

 

 

 

 

 

1.

Каждая информационная вершина является концом одного и толь-

 

ко одного структурного ребра.

2.

Подграф, состоящий из подвыводов, является деревом. Корень это-

 

го дерева называется главным выводом.

3.

В каждом подвыводе, кроме главного, начинается ровно одно ре-

 

бро допущение”. В каждом подвыводе начинается ровно одно ре-

 

бро результат”.

Таким образом однозначно определяется подвывод которому под чинена данная формула, Вершину в которую ведет ребро, допущение - называют допущением .данного подвывода, вершину в которуюведет”, ребро результат”, — его результатом. Результат; главного, подвывода

308 ГЛАВА 11. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВЫВОД

называют теоремой. Формулы не могут быть связаны друг с другом

непосредственно, они связываются посредством правил. Вершины, со-

единенные с правилом использующим ребром, называются посылками

данного правила, а вершины, в которые входят порождающие ребра, его

заключениями. Посылки используются данным правилом, а заключения

порождаются им. Структура взаимосвязи правил с информационными

вершинами и иерархией подвыводов описывается следующими услови-

ями.

Условия структуры

 

1.

Каждая информационная вершина, кроме допущений, является за-

 

ключением одного и только одного правила.

2.

Допущения не являются заключениями никакого правила.

3.

Каждая информационная вершина, кроме результатов, использу-

 

ется не более чем одним правилом.

4.

Результаты не используются никаким правилом.

5.

Посылки и заключения всех правил, кроме правила передачи ин-

 

формации, подчинены одному и тому же подвыводу.

6.

Граф вывода не имеет циклов.

Итак лишь правило передачи информации ППИ может перено сить формулы, из одного подвывода в другой все( остальные) действу- ют строго внутри некоторого подвывода данный; подвывод называется-

подвыводом правила. ;

Правила вывода описываются через их окрестности в графе вывода Эта окрестность включает посылки и заключения а также допущения. и результаты посылок если посылки являются подвыводами, Для пра вила передачи информации, она включает также подвыводы. которым- подчинены посылка и заключение. ,

11.3. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВЫВОД КАК ГРАФ

309

Опишем применения правил для импликации.

 

Modus ponens

 

Правило дедукции

A

 

A B

 

 

 

Допущение

 

• A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МП

 

ГП

 

 

 

 

 

 

 

Результат

• B

 

 

 

 

 

 

 

 

BA B

Здесь прямоугольничек обозначает подвывод, кружочек означает прави-

ло. К ребрам приписаны их типы. ‘МПозначает малую посылку, ‘ГП

главную посылку, ‘Допущение’ —

допущение вспомогательного вы-

вода, ‘Результат’ —

его результат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Правила для других связок описываются аналогично.

 

Дополнительным условием применения правила вспомогательной

константы является то,

что вводимая в нем вспомогательная константа

отличается от любых констант, вводимых другими правилами. Далее,

вспомогательная константа не может входить в допущение или резуль-

тат соответствующего подвывода. Таким образом, она не может быть

вынесена наружу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Еще два структурных правила вывода выделяются именно в гра-

фовом представлении, хотя имеют достаточно ясное значение и неявно

подразумеваются в традиционных определениях вывода. Это

 

Правило размножения Правило передачи информации

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

 

 

 

 

 

 

A

A

A

 

 

 

 

A

Первое из них имеет произвольное число заключений повторяю щих ту же формулу что была в посылке( ≥ 1) Без него невозможно, вывести- поскольку одна, и та же вершина. не может быть и допущением иAрезультатомA, Второе жизненно важно для взаимосвязи между подвы, водами. На него. накладывается следующее ограничение. -

310 ГЛАВА 11. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВЫВОД

Передаваемая формула не может свободно содержать пе ременной объявленнойAпроизвольной в подвыводе куда она- передается, . ,

Выводом называется граф удовлетворяющий всем перечисленным условиям и такой что окрестность, каждого применения правила имеет соответствующий, ,вид Итак правила задают условия на локальную пра вильность переходов .и она, должна быть поддержана глобальной пра- вильностью структуры, вывода. -

§ 11.4. ПРАВИЛА ФОРМУЛИРОВКИ ОТРИЦАНИЙ

И СОГЛАСОВАННОСТЬ С

 

 

 

 

 

 

КЛАССИЧЕСКОЙ ИСТИННОСТЬЮ

Приведем выводы ряда формул, доказываемых достаточно искусствен-

но, но необходимых для того, чтобы убедиться, что понятие естествен-

ного вывода действительно отражает классическую истинность. Далее,

их выводы позволят в дальнейшем

отделить овец от козлищ“: резуль-

таты, доказываемые прямо,

от результатов,

требующих косвенного до-

казательства от противного.

что из заданных значений истинности со-

Прежде всего убедимся,

ставляющих формул следует истинность либо ложность сложной фор-

мулы. Например, A & ¬B A B. Здесь,

предположив A & ¬B

и получив из него A, по правилу ослабления можно немедленно выве-

сти A B. На самом деле

¬B оказывается просто ненужным. Столь

же тривиально доказывается B A B. Далее, A & B A &

B является тавтологией в любом смысле этого слова. Для установле-

ния ¬A (A B) достаточно воспользоваться правилом ex falso

quodlibet. B (A B)

требует всего лишь аккуратного оформления,

которое и проделаем в виде графа:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доп

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доп

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

Рез

 

 

Рез

 

 

 

 

 

 

 

Рез

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B (A B)

 

A B