Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
математическая логика.docx
Скачиваний:
16
Добавлен:
08.07.2019
Размер:
181.46 Кб
Скачать

Лекция 5. Теоремы о выводимых формулах

Рассмотрим основные свойства выводимости, в которых A и B

произвольные формулы исчисления высказываний. Приведем первое из

этих свойств: если выводима формула A B, то выводима формула

B A. По существу это новое правило вывода. Поэтому мы формули-

руем его в следующем виде.

СВОЙСТВО 1 Справедливо правило вывода (коммутативность)

A B

B A

. (13)

Доказательство. Дано, что _ A B. Необходимо доказать _ B A.

Применим правило сечения

A B, A A

B A

. (14)

Посылка AB выводима по условию теоремы. Посылка AA выводи-

ма, так как является пропозициональной аксиомой. Следовательно, за-

ключение правила B A также является выводимой формулой. Свойство

доказано.

СВОЙСТВО 2 Справедливо правило

(A B) C

A (B C)

. (15)

Доказательство. Установим, что _ A (B C) в 6 шагов.

1. _ (A B) C по условию,

2. _ C (A B) по правилу коммутативности,

3. _ (C A) B по правилу ассоциативности,

4. _ B (C A) по правилу коммутативности,

5. _ (B C) A по правилу ассоциативности,

6. _ A (B C) по правилу коммутативности.

Свойство доказано.

По существу мы установили

23

СВОЙСТВО 3 Если выводима формула (A B) C, то выводимы

все формулы, полученные из нее с помощью произвольной цикличе-

ской перестановки членов и произвольной расстановки скобок.

СВОЙСТВО 4 Формула ¬¬AB выводима тогда и только тогда,

когда выводима формула A B.

Доказательство. Пусть выводима формула ¬¬A B. Применим пра-

вило сечения

A A, ¬¬A B

A B

. (16)

Посылки ¬¬A B и A A выводимы (первая — пропозициональная

аксиома, вторая по условию ). Следовательно, _ A B.

Обратно, пусть выводима формула A B. Применим правило сечения

A B, A ¬¬A

B ¬¬A

. (17)

Посылка A B выводима по условию. Посылка A ¬¬A выводи-

ма, т.к. _ ¬¬A A (пропозициональная аксиома) и по коммутативно-

сти _ A ¬¬A. Получим _ B ¬¬A и по свойству коммутативности

_ ¬¬A B.

Свойство доказано.

СВОЙСТВО 5 Пусть дана формула A = A1 A2 · · · ∨ An, у кото-

рой выводим один из ее членов Ai, где i = 1, 2, . . ., n. Тогда выводима

формула A.

Доказательство. Если i = n, то применим несколько раз правило рас-

ширения. Получим

_ An1 An, _ An2 An1 An, . . . , _ A1 A2 . . . An,

т.е. _ A. Если i _= n, то рассмотрим C = Ai+1 . . . An. Как и выше

получаем

_ Ai C, _ Ai Ai+1 C, . . . , _ A1 A2 . . . An,

т.е. _ A. Свойство доказано.

СВОЙСТВО 6 Пусть дана формула A = A1 A2, . . . , An, причем

для некоторых ее членовAi, Aj, где i, j ∈ {1, 2, . . ., n}, выводимафор-

мула Ai Aj . Тогда выводима формула A.

Доказательство проводим индукцией по числу n. Пусть A—контрпример

с наименьшим n. Если i = j, то _ Ai Ai. По правилу сокращения _ Ai.

По предыдущей теореме _ A и A — не контрпример. Поэтому считаем

i _= j. С учетом _ Aj Ai можно считать, что i < j.

Если i > 1, то формула B = A2 A3, . . . , An содержит члены Ai, Aj,

причем _ Ai Aj . Тогда по индукции _ B и по правилу расширения _ A.

Пусть i = 1. Тогда _ A1 Aj. Если при этом j = 2, то _ A1 A2.

Обозначим C = A3, . . . , An. По правилу расширения _ (A1 A2) C.

По правилу ассоциативности _ A = A1 (A2 C), что и нужно.

Пусть j > 2. По индукции получаем _ A1 C для C = A3 ∨ · · · ∨ An.

Тогда

1. _ C A1 (по коммутативности),

2. _ (C A1) A2 (по правилам расширения и коммутативности),

3. _ C (A1 A2) (по ассоциативности),

4. _ (A1 A2) C (по коммутативности),

5. _ A1 (A2 C) (по свойству 3),

т.е. _ A.

Свойство доказано.

СВОЙСТВО 7 Пусть дана формула A = A1 A2 ∨ · · ·∨ An, причем

для некоторых ее членов Ai1, Ai2, . . ., Aim выводима формула

Ai1

Ai2

· · · ∨ Aim. (18)

Тогда выводима даннаяформула A.

Доказательство проводим индукцией по числу m. Пусть A — контрпри-

мер с наименьшим m. По свойствам 5 и 6 имеемm > 2.

Нам дана выводимая формула Ai1

Ai2

· · · ∨ Aim, т.е. формула

Ai1

∨ (Ai2

· · · ∨ (Aim1

Aim)), по соглашению о правосторонней рас-

становке скобок. Рассмотрим другую формулу

(Ai1

Ai2) Ai3

· · · ∨ Aim. (19)

Она выводима по правилу ассоциативности и с учетом выводимости фор-

мулы (18). Она содержит m 1 членов следующего вида:

один член Ai1

Aim 2 членов Ai3, . . . , Aim. (20)

По индукции, если выводима формула, составленная из этихm1 чле-

нов, то выводима формула F, содержащая эти члены. Рассмотрим в ка-

честве F формулу

(Ai1

Ai2) A. (21)

Формула (19) составлена из из ее m 1 членов формулы (21) и выво-

дима. Поэтому по индукции выводима формула (21). Тогда

1. _ (Ai2

A) Ai1 (по ассоциативности),

2. _ (Ai2

A) A ( по предыдущему свойству),

3. _ Ai2

∨ (A A) (по ассоциативности),

4. _ (A A) Ai2(по коммутативности),

5. _ (A A) (A A) (по предыдущему свойству),

6. _ A A (по правилу сокращения),

7. _ A (по правилу сокращения).

Свойство доказано.

Замечание. Из данного свойства следует, что перестановка членов в

формуле A = A1A2∨· · ·∨An, не влияет на выводимость этой формулы.

СВОЙСТВО 8 Справедливо правило

A C, B C

(A B) C

. (22)

Доказательство. Имеем:

1. _ (A B) (A B) (по пропозициональной аксиоме),

2. _

_

(A B) A

_

B (по свойству 3),

3. _ B

_

(A B) A

_

(по свойству 3).

Итак, в следующем правиле сечения все посылки выводимы

B

_

(A B) A

_

, B C

((A B) A) C

.

Поэтому

_

(A B) A

_

C. По циклической перестановке членов

имеем _ A

_

C (A B)

_

и по дано _ A C.

26

По правилу сечения

A

_

C (A B)

_

, A C _

C (A B)

_

C

получаем _

_

C (A B)

_

C. Из членов этой выводимой формулы

составлена формула (A B) C. По свойству 6 она сама выводима.

Свойство доказано.

Лекция 6. Совпадение классов выводимых и тожде-

ственно истинных формул

В лекции 2 мы сформулировали следующую задачу: «получить до-

статочно простой способ конструирования тождественно истинных фор-

мул—законов логики высказываний». В предыдущей лекции рассмотрен

класс выводимых формул. Формулы этого класса по определению имеют

простую и обозримую конструкцию.

Мы докажем совпадение понятий «выводимая формула» и «тожде-

ственно истинная формула». Тем самым мы получим полное описание

тождественно истинных формул, то есть законов логики высказываний.

ТЕОРЕМА 8 Всякая выводимая формула является тождествен-

но истинной формулой.

Доказательство. Пусть дана произвольная формула X. Напомним

определение выводимости.

1. Пропозициональные аксиомы, то есть формулы вида AA - выво-

димые формулы.

2. Если посылки правила вывода - выводимые формулы, то заключение

- выводимая формула,

3. Выводимость формулы X получается получается несколькими при-

менениями правил 1 и 2.

Правила вывода имеют следующий вид.

A

B A

правило расширения,

A A

A

правило сокращения,

A (B C)

(A B) C

правило ассоциативности,

A B, A C

B C

правило сечения.

28

Каждой формуле X однозначно приписан наименьший номер шага, на

котором она получена. Доказательство теоремы проведем индукцией по

этому номеру n.

Пусть n = 1. Тогда X - пропозициональная аксиома, т.е. X = A A

для некоторой формулы A. Формула A содержит буквы, которым при-

даются значения истина или ложь. Значения формулы A могут быть как

истина так и ложь. Однако формула X всегда истинна, так как одна из ее

частей A или A является истинной.

Предположим, утверждение верно для всех формул с номером n. По-

кажем справедливость утверждения для формул с номером n + 1. Пусть

формула X имеет номер n+1. Тогда она совпадает с заключением одного

из правил вывода, где где в посылке расположены формулы с номером n.

Они тождественно истинны по предположению индукции.

Возможны 4 случая для вида правила вывода.

1. Пусть рассматривается правило расширения с посылкой A и заклю-

чением X = B A. Так как посылка A — тождественно-истинная

формула, то значения A всегда равны И. Поэтому значения форму-

лы X = B A всегда равны И, т.е. X — тождественно истинная

формула.

2. Пусть имеется правило сокращения с посылкой A A и заключени-

ем A. Так как посылка A A—тождественно истинная формула, то

заключениеA тождественно истинно. Действительно, если при неко-

тором наборе букв, входящих в A значение A равно Л, то значение A

при этом наборе букв равно ЛЛ=Л. Это противоречие, так как по-

сылка A A—тождественно истинная формула,

3. Пусть мы имеем правило правило ассоциативности с посылкой A

(B C) и заключением (A B) C. Так как посылка тождественно

истинна, то при любом наборе значений букв, входящих в формулы

A,B,C, среди значений есть значение И(иначе значение X равно

ЛЛ)= Л). Тогда заключение (AB)C также принимает зна-

чение И. Получили, что формула (AB) C тождественно истинна.

4. Пусть имеется правило сечения с двумя посылками A B и A C

(которые тождественно истинны) и заключением B C. Предполо-

жим, что при некотором наборе букв, входящих в формулы A,B,C,

значение заключения B C есть Л. Тогда значение формулы B и

29

значение C есть Л. Если значение формулы A равно Л, то значение

формулы A B равно Л, противоречие с тождественной истинно-

стьюAB. Если значение формулы A равно И, то значение формулы

AC равно Л, противоречие с тождественной истинностью AC.

Значит формула B C тождественно истинна. Теорема доказана.

Докажем обратное утверждение для теоремы 8.

ТЕОРЕМА 9 Всякая тождественно истиннаяформула является

выводимой формулой.

Доказательство. Пусть формула A является тождественно истинной.

Тогда тождественно истинна формула A A. Достаточно проверить ее

выводимость. Действительно, из выводимости формулы AA по правилу

сокращения следует выводимость формулы A, что и нужно.

Вместо доказательства выводимости формулы A A докажем более

общий факт:

если формула A1 A2 ∨ · · · ∨ An, где n _ 2 — тождественно

истинна, то она выводима.

При n = 2 и A1 = A2 = A получим то, что требуется. Итак, дано, что

формула

X = A1 A2 ∨ · · · ∨ An (23)

является тождественно истинна и n _ 2. Докажем, что X - выводимая

формула, рассматривая несколько случаев.

Случай 1. Рассмотрим вначале случай, когда число символов в каждой

формуле A1, A2, . . ., An равно 1 или 2. Из определения формулы следует,

что формулы A1, A2, . . ., An являются буквами или отрицанием букв. По-

этому формула X — элементарная дизъюнкция и имеет вид, подобный

виду: X = C D A C, где A,D,C —буквы. Элементарная дизъ-

юнкция является тождественно истиной, тогда и только тогда, когда в нее

входит некоторая буква вместе со своим отрицанием.

Поэтому в формуле X есть вхождение некоторой буквы A вместе с

вхождением отрицания A. Выводимость формулы не зависит от по-

рядка членов по свойству 7. Переставляя компоненты считаем, что

X = X1 X2 . . . (A A). Имеем_ AA (пропозициональная ак-

сиома). Применяя несколько раз правило расширения, получим _ X.

Случай 1 рассмотрен.

Предположим, что утверждение теоремы 2 не выполняется.Среди всех

формул X, которые не удовлетворяют заключению ( т.е. не являются вы-

водимыми) рассмотрим контрпримерX = A1A2∨· · ·∨An с наименьшим

количеством символов.

Рассмотрим строение каждого члена A1, A2, . . .An формулы X. По-

скольку cлучай 1 рассмотрен, то можно считать, что среди членов

A1, A2, . . .An есть член Ai, который не является буквой и не является от-

рицанием буквы. Члены A1, A2, . . .An в записи X можно переставлять; по

свойству 7 это не влияет на выводимость формулы. Поэтому считаем, что

A1 не буква и не является отрицанием буквы. Любая формула X, отлич-

ная от буквы, построена из ранее полученных формул Y и Z с помощью

одного из двух действий: 1)X = Y или 2)X = Y Z. Если при этом фор-

мула X отличная от отрицания буквы, то в случае 1) имеем 1 а) X = ¬¬Z

или 1 б) X = (Y Z). Поэтому выполнена одна из 3 возможностей:

1. A1 = ¬¬B,

2. A1 = (B C),

3. A1 = B C.

Обозначим D = A2 ∨ · · · ∨ An.

Случай 1 A1 = ¬¬B. Тогда X = (¬¬B) D. Рассмотрим новую

формулу X1 = B A2 . . .An = B D. Формула X1 принимает оди-

наковые значения с формулой X, и поэтому, X1 тождественно истинна.

Она имеет на 2 символа меньше, чем формула X. По индукции заключа-

ем _ X1 = B D. о свойству выводимости 4 получаем _ X = ¬¬B D

Случай 2 A1 = (B C). Тогда X = (B C) D. Введем две новые

формулы X1 = B A2 . . .An = B D и X2 = C A2 . . .An =

C D. Методом от противного установим тождественную истинность

формул X1 и X2. Предположив, что при некотором наборе значений букв

формула X1 ложна. Получим, что значение X1 и значение D ложны. То-

гда значение формулы X = (B C)D ложно, независимо от значения

C. Противоречие с тем, что X тождественно истинна. Рассуждения для

X2 аналогичны. Итак, формулы X1 = B D и X2 = C D тожде-

ственно истинны и выводимы по предположению индукции. По свойству

8 выводима формула X = (B C) D.

Случай 3 A1 = B C. Подставив в формулу X, получим

X = (B C) A2 . . .An = (B C) D Выводимость формулы X

равносильна выводимости формулы Y = B(CD) = BCA2. . .An

со стандартной расстанокой скобок и числом членов на 1 больше, чем

в X. Число символов тоже, что и в формуле X. Операцию перехода от

формулы X к формуле Y назовем «измельчением звеньев». Она не меня-

ет число символов в формуле. Поэтому мы могли среди контрпримеров с

минимальным числом символов выбрать контрпример, не допускающий

дальнейшего измельчением членов. Тогда последний случай невозможен.

Теорема доказана.

Мы завершили раздел логики, относящийся к исчислению высказыва-

ний.