 
        
        Непейвода. Прикладная логика
.PDF 
Язык математики
1
 
 
Глава Необходимость точного языка 1в.математике
| § 1.1. КАК И ПОЧЕМУ ПОЯВИЛСЯ ЯЗЫК | |
| МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛОГИКИ? | |
| Математика изучает объекты, свойства которых точно сформули- | |
| рованы. | 
 | 
| Это описание поля деятельности современной математики не претен- | |
| дует на полноту. Оно, скорее, достаточно широко и отбрасывает лишь | |
| те случаи, когда говорить о применении математики еще рано1. В част- | |
| ности, оно включает и традиционные разделы, такие как геометрия и | |
| алгебра, и новые, такие как математическая лингвистика либо теория | |
| генетического кода. | 
 | 
| Хотя само описание говорит о точных формулировках, в нем требу- | |
| ют разъяснения в первую очередь последние слова: «точно сформули- | |
| рованы». Очевидно, что иx уточнение влечет за собой уточнение и дру- | |
| гих понятий, в частности ‘объекта’ и ‘свойства’. Какие формулировки | |
| можно считать точными, | мы будем стремиться разобраться дальше. | 
| Очевидно, что не все то, что сказано на естественном языке, точно. | |
| Иногда эта неточность лежит на поверхности, как, например, в фразах: | |
| «Хочется чего-то, а чего — | неясно» или «Оно, конечно, ежели что как. . . | 
1 Тем не менее и там вовсю пытаются применять математическую символику исполь зуя как остроумно выразился Леви Стросс формулы как узор украшающий, текст - В частности, таковы многие современные- работы, « по культурологии, философии и т п». Критерий распознавания, такого наукообразия прост понятия не уточняются, Далее .ча. сто квалифицированный математик легко находит противоречия: в узорах вставленных. , - в текст Но порою узоры внутренне непротиворечивы и просто не имеют, отношения к окружающему. их тексту: это — высшая ступень надувательства.
 
4 ГЛАВА 1. НЕОБХОДИМОСТЬ ТОЧНОГО ЯЗЫКА
| А ежели что не так?» Иногда смысл фразы явно зависит от контекста, | |
| например: «Сейчас я намылю ему шею». Богатство любого естествен- | |
| ного языка неразрывно связано с его многозначностью. Зависимость от | |
| контекста не всегда отрицательный фактор, лишь бы в любой данной | |
| ситуации предложение уточнялось однозначно. | 
 | 
| Но, например, полное и достаточно безобидное на вид предложение | |
| «Он встретил ее на поляне с цветами» | (1.1) | 
| имеет три различных истолкования. Вот от такой неоднозначности хо- | |||
| телось бы раз и навсегда застраховаться в математике. Поэтому матема- | |||
| тики с самого начала стремились формулировать доказательства и тео- | |||
| ремы на как можно более четком, хотя и бедном, | диалекте естественно- | ||
| го языка. Хотя словарный запас этого диалекта постоянно расширяет- | |||
| ся, основные формы предложений, связки, союзы остаются практиче- | |||
| ски теми же, что были выработаны еще в античные времена. Следует | |||
| заметить, что способы выражения, допустимые в математике, нигде не | |||
| описывались явно, ими овладевали на примерах, | в процессе обучения и | ||
| чтения классическиx трудов, | в первую очередь «Элементов» Евклида. | ||
| Долгое время считалось, | что ‘математический диалект’ состоит из | ||
| строго сформулированных предложений, да и сейчас он верно служит | |||
| математикам, почти никогда иx не подводя. В геометрии и до сиx пор его | |||
| достаточно. Но уже в средние века развитие алгебры привело к тому, что | |||
| формулировки теорем зачастую становились все длиннее, необозримее | |||
| и неудобнее. Соответственно, выкладки становились все более и более | |||
| трудными. В самом деле, даже для того чтобы просто понять фразу | |||
| «Квадрат первого, сложенный с квадратом вто- | 
 | ||
| рого и с удвоенным произведением первого на | 
 | ||
| второе, есть квадрат первого, сложенного со вто- | (1.2) | ||
| рым», | 
 | математическая стро- | |
| требуется значительное усилие. Таким образом, | |||
| гость и удобство начали противоречить друг другу. | часть | ||
| Выход был найден, когда заметили, что использованная в (1.2) | |||
| математического языка может быть сведена к нескольким условным зна- | |||
| кам, и сейчас (1.2) записывается кратко и ясно: | 
 | 
 | |
| x2 + 2xy + y2 = (x + y)2. | 
 | (1.3) | |
 
| 1.1. КАК И ПОЧЕМУ ОН ПОЯВИЛСЯ? | 5 | |
| 
 | Это стало первым этапом уточнения математического языка: был со- | |
| здан символизм арифметическиx выражений, иx равенств и неравенств. | ||
| К XVIII в. математические формулы записывались почти в том же виде, | ||
| что и сейчас. | 
 | |
| 
 | Однако более сложные математические утверждения по-прежнему | |
| записывались на обычном языке с вкраплениями формул. И чем даль- | ||
| ше развивалась математика, чем больше понятий входило в ее словарь, | ||
| тем ближе придвигались к ее границам парадоксы, связанные с неодно- | ||
| значностью и недоопределенностью предложений естественного языка. | ||
| Рассмотрим один из самых яркиx и элементарных примеров. | 
 | |
| 
 | Как известно, некоторые фразы служат определениями натуральных | |
| чисел, например: | 
 | |
| 
 | «Десять в степени десять в степени десять». | (1.4) | 
| 
 | «Наименьшее простое число, большее миллио- | 
 | 
| 
 | на». | (1.5) | 
| В русском языке 33 буквы, и предложений, состоящих не более чем из | ||
| ста букв, конечное число (грубо говоря, не более 33100). Натуральных | ||
| чисел же бесконечно много. Значит, среди ниx должны быть такие, ко- | ||
| торые нельзя назвать фразой, состоящей менее чем из ста букв. Но тогда | ||
| есть и наименьшее такое число. Его можно определить как | 
 | |
| 
 | ‘Наименьшее натуральное число, которое нельзя | 
 | 
| 
 | определить предложением русского языка, содер- | (1.6) | 
| 
 | жащим менее ста букв.’ | 
 | 
| Это предложение содержит 96 букв. Следовательно, определение (1.6) | ||
| противоречит самому себе. (Парадокс Берри. 1906 г.) | 
 | |
| 
 | Казалось бы, рассуждение из парадокса Берри явно нематематиче- | |
| ское. Однако уже в те времена подобные конструкции встречались в те- | ||
| ории множеств, а сейчас рассуждения такого рода обычны в разделах | ||
| математической логики и теории алгоритмов, исследующих сложность | ||
| описания математическиx объектов. В частности, подобная идея лежит | ||
| в основе знаменитой теоремы Гёделя2 о неполноте любой достаточно | ||
| сильной формальной теории. | 
 | |
| 
 | Если парадокс Берри возник на границе между математикой и есте- | |
| ственным языком, то парадокс Рассела возник внутри самой математи- | ||
| ки — | в теории множеств. | 
 | 
2 Эта теорема является одной из целей нашего курса
 
| 6 | ГЛАВА 1. НЕОБХОДИМОСТЬ ТОЧНОГО ЯЗЫКА | 
| 
 | Пусть z — множество тех множеств, которые не | 
| 
 | являются собственными элементами. То есть x | 
| 
 | z тогда и только тогда, когда неверно, что x x. | 
| 
 | Символически | 
| 
 | (1.7) | 
| 
 | z = {x | x / x} . | 
| Подставляя z вместо x в определение z, получаем, | 
 | |
| что z z тогда и только тогда, когда z / z. | 
 | 
 | 
| Появление первых парадоксов ошеломило математический мир и | ||
| послужило поводом, чтобы предпринять систематическое построение | ||
| современной логики. А причиной ее появления было то, что математи- | ||
| ческий диалект естественного языка опять-таки, как и в средние века, | ||
| перестал удовлетворять требованиям компактности и удобства при за- | ||
| писи формулировок теорем, и в особенности при манипуляцияx с эти- | ||
| ми формулировками. Например, вот одно из элементарных определений | ||
| математического анализа: | 
 | 
 | 
| Функция f, определенная на множестве M, не- | 
 | |
| прерывна на M, если для каждого x из M и для | 
 | |
| любого сколь угодно малого положительного | ε | 
 | 
| найдется такое положительное δ, зависящее от | ε, | (1.8) | 
| что, когда x1 лежит в M и отличается от x меньше, | 
 | |
| чем на δ, f(x1) отличается от f(x) меньше, чем на | 
 | |
Построитьε. скажем отрицание понятия непрерывности содержатель но вдаваясь в смысл, фразы, не менее трудно чем преобразовывать, - алгебраические тождества (1записанные.8), в виде , А на современном символизме «f непрерывна, на M» записывается(1.компактно2). и изящно:
x M ε > 0 δ > 0 x1 M(|x − x1| < δ |f(x) − f(x1)| < ε).
Язык математической логики ставший символическим языком(1со.9) временной математики возник в ,тот момент когда неудобство матема- тического языка для нужд, математики было окончательно, осознано Так- же как и символизм алгебраически выражений новый символизм.про яснил, механическую природу многихx преобразований, позволил дать- простые алгоритмы и осуществления и тем самым освободил, головы математиков для болееx важных дел.
 
| 1.1. КАК И ПОЧЕМУ ОН ПОЯВИЛСЯ? | 7 | 
| Вместе с тем впервые появилась возможность строго ответить на | |
| вопрос: а что значит ‘точно сформулированное высказывание’? Это вы- | |
| сказывание, которое может быть однозначно переведено на символиче- | |
| ский язык математики. | 
 | 
| Формализация математики привела к более ясному осознанию при- | |
| роды самой математики, к триумфальному применению ее к нечисло- | |
| вым и непространственным объектам, таким как, например, гены, есте- | |
| ственные и искусственные языки, программы для ЭВМ и т. д. Вместе с | |
| тем стало ясно и то, когда мы не должны применять математику. До тех | |
| пор, пока наши знания о некоторой конкретной области не могут быть | |
| переведены на формальный математический язык единообразным ме- | |
| тодом, мы еще не осознали исходные понятия и иx свойства настолько, | |
| чтобы применять математические методы, и “ математизация” | превра- | 
| щается в род шаманства, призванного придать наукообразие тексту. А | |
| как только мы сможем точно сформулировать свойства ясно выделен- | |
| ных нами исходных понятий, мы сможем и применять математику для | |
| извлечения следствий из этиx свойств. | 
 | 
| Итак, первой проблемой, которую поставила жизнь перед математи- | |
| ческой логикой, была следующая. | 
 | 
| Основная задача языка математики | 
 | 
| Дать точное и удобное определение математическо- | 
 | 
| го суждения, то есть дать такой язык, на который | 
 | 
| мы могли бы перевести математические утвержде- | (1.10) | 
| ния, который допускал бы сравнительно легкий пе- | 
 | 
ревод на обычный язык записи на котором были бы компактны и удобны в обращении, .
Первая часть нашего пособия посвящена показу используемого в совре менной математике решения этой проблемы Мы стремимся осветить с- единой точки зрения фундаментальные математические. понятия позна комить с формальным языком и дать навыки владения этим языком, . - В сущности в первой части почти не затрагивается материал соб ственно математической, логики как науки в нем выдерживается лишь- логический подход к изучаемым понятиям ,Сама математическая логика начинается со второй задачи неразрывно связанной. с основной задачей
языка математики. ,
 
| 8 | ГЛАВА 1. НЕОБХОДИМОСТЬ ТОЧНОГО ЯЗЫКА | ||
| 
 | Основная задача логической семантики3: | 
 | |
| 
 | Дать четкое и однозначное истолкование суждений | 
 | |
| 
 | формального языка, одновременно как можно более | 
 | |
| 
 | простое и как можно более близкое к естественному | (1.11) | |
| 
 | математическому пониманию. | 
 | |
| 
 | Конечно же, мы вынуждены касаться отдельных аспектов этой зада- | ||
| чи уже в первой части, но лишь в простейших случаях. | 
 | ||
| 
 | Подытожим: | 
 | |
| 
 | Труднее всего поддается уточнению само понятие точности. | 
 | |
| 
 | Математическая логика — | наука, изучающая саму матема- | 
 | 
| 
 | тику математическими средствами. | 
 | |
Математическая логика изучает формальную структуру рас суждений математическими средствами. - Формальная проверка зачастую сильнее содержательной.
Формальный язык позволяет значительно эффективнее пре образовывать выражения, чем содержательный. - Когда сложность утверждений данной науки превосходит опре деленный предел, начинается процесс ее формализации. - Формальный язык должен полностью исключать неоднознач ности. - Смысл предложений формального языка должен быть стро го и до конца определен. - Не всякое использование формального языка ведет к уточ нению. -
Упражнения к § 1.1
Л С Выготский Сколько различных смыслов имеет предложе
1.1.1. ние( . . ) -
Предложение рабочих бригад вызвало осуждение товарища Иванова?
3 Семантика наука изучающая смысл предложений естественного либо формаль ного языка. — , -
 
| 1.2. ЗАЧЕМ ИЗУЧАТЬ? | 9 | 
| 1.1.3. Какое из предложений (1.4), (1.5) неоднозначно? Как его перефор- | ||
| 
 | мулировать, чтобы оно стало однозначным? | |
| § 1.2. | ЗАЧЕМ ИЗУЧАТЬ ФОРМАЛЬНЫЙ ЯЗЫК МАТЕМАТИКИ? | |
| Ну допустим, мне удалось убедить Вас, что для математики необходи- | ||
| мо создавать точный формальный язык. Но остается второй вопрос: а | ||
| так ли необходимо его изучать, если Вы не собираетесь быть специа- | ||
| листом именно в области математической логики. Ведь столько лет без | ||
| него обходились, почему бы не обойтись и Вам? | ||
| Первый из возможных ответов на данный вопрос состоит в том, что | ||
| незнание мощных и простых методов преобразований математическиx | ||
| предложений, предоставляемых языком математической логики, все рав- | ||
| но что незнание основ алгебры. Просто грех не пользоваться точными | ||
| и едиными правилами там, где они уже проработаны, и каждый раз изо- | ||
| бретать заново велосипед Артамонова4. | ||
| Второй ответ требует апелляции к опыту современных формальных | ||
| языков, прежде всего языков программирования. | ||
| В нынешние времена люди все равно вынуждены изучать искус- | ||
| ственные, формальные языки. В частности, имея дело с вычислитель- | ||
| ной машиной, Вы не обойдетесь без знакомства (хотя бы шапочного) по | ||
| крайней мере с 2–3 искусственными языками. А уж если Вы собирае- | ||
| тесь быть математиком-прикладником, для которых в первую очередь | ||
| предназначено данное пособие, то без глубокого знания алгоритмиче- | ||
| скиx языков сейчас не обойтись. | Но лишь ими ограничиться нельзя, | |
| если Вы стремитесь подняться выше чисто ремесленного уровня. | ||
| Язык математической логики — | исторически первый точно опреде- | |
| 1.1.2. (Х.Б. Карри) Докажите, что из существования множества всех та- | ||
| 
 | киx множеств x, что если x является своим элементом, то выпол- | |
| 
 | нено A, следует, что A истинно. | |
ленный формальный язык Он появился в конце века в трудах ита льянского математика Пеано. и его учеников современнаяXIX форма прида- на ему Расселом и Гильбертом в начале XX ,века, и этот язык доказал на-
4 Артамонов мастер самоучка в царствование Николая приехавший с Урала в Питер на самодельном— велосипеде- ., I
 
10 ГЛАВА 1. НЕОБХОДИМОСТЬ ТОЧНОГО ЯЗЫКА
| практике свою жизнеспособность и устойчивость. Во множестве фор- | |
| мальных языков программирования, математической лингвистики и ис- | |
| кусственного интеллекта, сменяющихся каждые десять лет, он является | |
| своего рода скалой среди айсбергов. В нем в гораздо более последова- | |
| тельной и красивой форме проведены многие концепции, а позднее пе- | |
| ренятые в языках программирования и искусственного интеллекта. Так | |
| что знать его целесообразно хотя бы для того, чтобы видеть, что к чему | |
| в этом бурлящем море неустойчивых частных формальныx языков. | |
| Третий ответ связан со спецификой самой работы прикладного ма- | |
| тематика либо системного аналитика. | |
| В прикладной математике исследователь должен все время занимать- | |
| ся переводами с содержательного языка на математический, с математи- | |
| ческого языка на язык численных методов и алгоритмов, с языка алго- | |
| ритмов на конкретный язык программирования и обратно. Такая много- | |
| языковость неизбежна: она вызвана необходимостью находить точные | |
| и реализуемые решения задач, возникающих на практике. Например, | |
| услышав о проблеме, связанной с тем, что нагрев сырья в печи недо- | |
| статочно равномерен, исследователь должен сообразить, что передача | |
| тепла описывается параболическими дифференциальными уравнения- | |
| ми в частных производных5, что в данном случае граничные условия | |
| имеют такой-то вид, а тогда задача нахождения решений этиx уравне- | |
| ний некорректна, что для устранения некорректности можно воспользо- | |
| ваться такими-то моделями и численными методами, что для того чтобы | |
| смоделировать всю систему на машине, нужно привлечь такие-то про- | |
| граммные средства, что для того чтобы специалисты поняли результаты | |
| моделирования, иx нужно вывести в такой-то форме, и самое печаль- | |
| ное — | нужно быть готовым к тому, что построенная модель окажется | 
никуда не годной и ее придется переделывать поскольку например ха рактер нагрева в данном случае известен неточно, а при, математиче, - ском решении задачи мы вынуждены сделать такие, то предположения- которые совсем не обязательно адекватны реальной ситуации- . И это еще,
5 Если уважаемый читатель не знает что это такое не расстраивайтесь это должен знать специалист и даже многие известные, автору блестящие, математики прикладники:
этого не знают Другое, дело что нужно развивать свою внутреннюю базу- знаний и включать в нее.и то что сам ,не знаешь как следует Тут нужно лишь понимать“ к какой” области это относится, к какому специалисту нужно. обратиться если Вы столкнетесь, с данным понятием и как, хотя бы самым грубым образом перепроверить, предложенное специалистом решение, ,Ведь никто не может знать всего, а нынче никто не может знать всего даже в одной отдельно. взятой отрасли. ,
