Непейвода. Прикладная логика
.PDFЯзык 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. ,