Zusammenfassung
Diese Lektion eröffnet die zweite Einheit des Kurses, die der Deduktion gewidmet ist. Sie stellt ihre fünf Lektionen vor und den Faden, der sie verbindet, von der Definition eines formalen Deduktionssystems bis zu den De-Morgan-Gesetzen und den Distributivgesetzen; sie verortet die Einheit auf dem Weg des Kurses, zwischen der bereits aufgebauten Sprache und der Semantik und Metatheorie, die noch kommen, und nimmt vorweg, was diese über sie sagen werden; sie begründet die Wahl eines axiomatischen Systems, das in zwei Stufen aufgebaut wird (der Łukasiewicz-Kalkül mit drei Axiomenschemata und dem Modus ponens und der Kalkül des Kurses, der ihm die Regel der Ersetzung der doppelten Negation hinzufügt), und erklärt, warum diese zweite Regel nötig ist und warum sie postuliert statt bewiesen wird; sie zeigt an einer kurzen Ableitung, wie viel Arbeit ein elementarer Schluss verbirgt; sie legt fest, was aus der vorigen Einheit übernommen wird, nämlich die eindeutige Lesbarkeit, die Induktion (die starke über die natürlichen Zahlen und die strukturelle) und die Auflösung der Abkürzungen, und gibt Ratschläge für ihr Studium.
Lernziele
- Die Abfolge der fünf Lektionen der Einheit beschreiben und erklären, welche Ergebnisse jeder Lektion die nächste verwendet.
- Die Deduktion im Verlauf des Kurses verorten, die Ableitbarkeit von der semantischen Folgerung unterscheiden und erklären, was Korrektheit und Vollständigkeit behaupten werden.
- Erklären, warum der Kalkül des Kurses dem von Łukasiewicz eine zweite primitive Regel hinzufügt, die Ersetzung der doppelten Negation, ausgehend von dem, was die drei Schemata an einem Peirce-Pfeil sehen können und was nicht.
- Eine kurze Ableitung nach nummerierten Zeilen lesen, die Ableitung von Formeln von der Ableitung über Ableitungen unterscheiden, erkennen, was die Einheit aus der vorigen übernimmt, und ihr Studium ausgehend vom Eingangstest planen.
Eingangstest
Bevor man die Einheit durcharbeitet, lohnt es sich, den Ausgangspunkt zu bestimmen. Dieser Test ist eine Selbstüberprüfung: Er wird nicht benotet, und sein einziger Zweck ist es, das Lernen zu leiten. Seine dreizehn Fragen sind von zweierlei Art. Die ersten drei betreffen, was die Einheit aus der vorigen als bekannt voraussetzt: die eindeutige Lesbarkeit, die starke Induktion und die Auflösung der Abkürzungen; wer eine davon falsch beantwortet, sollte vor dem Weitergehen die Lektion wiederholen, die die Frage nennt. Die übrigen zehn behandeln der Reihe nach die fünf Lektionen dieser Einheit: drei die erste, drei die zweite, zwei die dritte, eine die vierte und eine die fünfte. Wer nie ein Deduktionssystem studiert hat, sollte nicht erwarten, sie richtig zu beantworten, und das macht nichts: Jede Antwort, ob richtig oder nicht, erklärt den Punkt und nennt die Lektion, die ihn behandelt. Dieselben Fertigkeiten werden am Ende, in der Lektion der Zusammenfassung, erneut gemessen.
Miss vor Beginn der Einheit deinen Ausgangspunkt. Es ist eine kurze Selbsteinschätzung: Sie wird nicht benotet, und das Ergebnis wird nur in deinem Browser gespeichert.
Frage 1Aus früheren EinheitenDie Zeichenkette ist eine zusammengesetzte Formel der Form . Welches sind ihre Komponenten und ?
ist keine Formel: Eine Junktorscheibe verlangt zwei Formeln danach, und hier folgt ihr nur die Variable ; ihr aufsummiertes Gewicht ist , nicht . Auch der Rest, zwei Variablen hintereinander, ist keine Formel.Das schließt der Satz von der eindeutigen Lesbarkeit aus: Wenn und die vier Komponenten Formeln sind, dann und . Ein Schnitt an anderer Stelle lässt mindestens einen Teil übrig, der keine Formel ist.Eine zusammengesetzte Formel hat zwei Komponenten, und die leere Zeichenkette ist keine Formel. Außerdem hat die Zeichenkette, die auf die Anfangsscheibe folgt, drei Variablen und nur eine Junktorscheibe, und jede Formel hat genau eine Variable mehr als Junktorscheiben.Nach der Anfangsscheibe werden die Gewichte der Wörter aufsummiert: Die Junktorscheibe zieht ab, und die Variablen und addieren jeweils ; das aufsummierte Gewicht erreicht zum ersten Mal am Ende von , und dort endet . Die Formel ist , und wegen der eindeutigen Lesbarkeit lässt sie keine andere Zerlegung zu: Das erlaubt es, beim Anwenden des Modus ponens Antezedens und Konsequens einer Implikation ohne Mehrdeutigkeit zu erkennen.Wiederholen: Induktion über die natürlichen Zahlen und über Formeln
Frage 2Aus früheren EinheitenIn einem Beweis durch starke Induktion, dass jede natürliche Zahl eine Eigenschaft hat, was darf man beim Beweis von annehmen?
Das ist die Induktionsvoraussetzung der einfachen Induktion. Sie genügt, wenn sich der Fall nur auf den vorigen stützt; wenn er sich auf beliebige kleinere Fälle stützt, wie der Modus ponens auf den Zeilen einer Ableitung, muss man sie alle annehmen.Das schließt ein, also gerade das, was bewiesen werden soll: Es anzunehmen macht das Argument zirkulär.Die starke Induktion hat keinen getrennten Induktionsanfang: Sie enthält ihn, denn für gibt es keine kleineren natürlichen Zahlen, und die Voraussetzung bietet nichts. Nur wenn das Argument zum Beispiel verwendet, müssen die ersten Fälle gesondert behandelt werden.Das ist die Induktionsvoraussetzung der starken Induktion. Die Einheit verwendet sie, um das Deduktionstheorem zu beweisen: Die letzte Zeile einer Ableitung kann durch Modus ponens aus zwei beliebigen früheren Zeilen gewonnen werden, nicht notwendig aus der unmittelbar vorangehenden, und die Voraussetzung muss beide erreichen.Wiederholen: Induktion über die natürlichen Zahlen und über Formeln
Frage 3Aus früheren EinheitenWelche Formel bezeichnet mit den offiziellen Abkürzungen des Kurses, geschrieben mit dem Peirce-Pfeil und der Negation?
Es fehlt die äußere Negation: Die Disjunktion ist die Negation des Peirce-Pfeils, nicht der Peirce-Pfeil selbst, der „weder … noch“ gelesen wird.Das ist die Disjunktion : In der Implikation fällt die innere Negation auf das Antezedens, nicht auf das Konsequens.Jede Abkürzung wird ein einziges Mal definiert und bezeichnet eine einzige Zeichenkette, die die Auflösung bestimmt. Was tatsächlich vorkommt, ist das Umgekehrte: Ein und dieselbe Zeichenkette kann mehrere Namen erhalten.Die Implikation kürzt ab, und die Disjunktion kürzt die Negation eines Peirce-Pfeils ab; daraus folgt . So löst die Einheit die Abkürzungen jedes Mal auf, wenn sie wissen muss, ob zwei Ausdrücke dieselbe Formel bezeichnen.Wiederholen: Die Sprache der Aussagenlogik
Frage 4Das Schema A1 ist . Ist die Formel eine Instanz von A1?
Diese Substitution ergibt , nicht die vorgeschlagene Formel: Auch das letzte Vorkommen von muss sein.Die äußere Form genügt nicht: Das Schema verlangt außerdem, dass die letzte Komponente die erste wiederholt.Die Metavariablen dürfen durch beliebige Formeln substituiert werden, Variablen eingeschlossen: ist eine Instanz von A1.Eine Instanz substituiert jede Metavariable uniform: alle Vorkommen von durch dieselbe Formel. Verschiedene Metavariablen dürfen dieselbe Formel erhalten, aber ein und dieselbe Metavariable kann nicht zwei erhalten.Wiederholen: Formale Deduktionssysteme
Frage 5In einer Ableitung stehen bereits die Zeilen und , wobei und verschiedene Formeln sind. Welche Formel erlaubt der auf diese beiden Zeilen angewandte Modus ponens zu schreiben?
Vom Konsequens zum Antezedens überzugehen ist der Fehlschluss der Bejahung des Konsequens, nicht der Modus ponens. Die erste Lektion beweist mit einer Markierung, die die Axiome und der Modus ponens erhalten, dass auf keine Weise aus ableitbar ist.Das ist die Umkehrung der geschriebenen Implikation, und keine Regel erzeugt sie aus ihr: Eine Implikation wird nicht umgekehrt.Nichts in den beiden Zeilen spricht von der Negation von ; der Modus ponens trennt nur das Konsequens einer Implikation ab, deren Antezedens schon dasteht.Aus und erhält man ; hier steht schon da, und der Modus ponens erlaubt nicht, die Implikation zurückzugehen.Wiederholen: Formale Deduktionssysteme
Frage 6Man weiß, dass , das heißt, dass es eine Ableitung von gibt, deren einzige Prämisse ist. Was besagt dann das Deduktionstheorem?
Die Prämisse zu streichen ändert, was behauptet wird: Aus der Prämisse ist ableitbar, und ist kein Theorem. Die Prämisse verschwindet nicht; sie wird zum Antezedens.Das kehrt die Richtung um: Die entladene Prämisse ist das Antezedens und die Konklusion das Konsequens.Ableitungen werden nicht rückwärts durchlaufen: Aus der Prämisse ist mit A1 und dem Modus ponens für jedes ableitbar, und aus dieser Implikation gewinnt man nicht zurück.Das Deduktionstheorem entlädt eine Prämisse und macht sie zum Antezedens: Wenn , dann ; hier ist leer. Es wird durch starke Induktion über die Anzahl der Zeilen bewiesen.Wiederholen: Formale Deduktionssysteme
Frage 7Was ist ohne weitere Prämissen aus der Menge ableitbar?
Der Modus ponens braucht das Antezedens geschrieben, und ist keine Prämisse: Aus zwei Implikationen erhält man eine weitere Implikation, keine einzelne Formel.Das verkettet in umgekehrter Richtung: Die Prämissen gehen von zu und von zu , und die Kette wird nicht rückwärts durchlaufen.Das würde behaupten, dass und gelten, und die Prämissen behaupten keine von beiden: Sie sagen nur, was folgt, wenn gilt oder wenn gilt.Das ist der hypothetische Syllogismus: Implikationen werden verkettet. Er wird in sieben Zeilen mit A1, A2 und dem Modus ponens abgeleitet, und die Lektion macht daraus eine Regel, die unter jeder Prämissenmenge anwendbar ist.Wiederholen: Vier Ableitungstechniken
Frage 8Die Regel der Ersetzung der doppelten Negation (EDN) ändert in einer Zeile ein einziges Vorkommen einer Teilformel, und sie wirkt auf die Zeichenkette der Grundsprache. Wie viele Vorkommen der Teilformel enthält die Zeichenkette, die bezeichnet?
Diese Antwort liest die Abkürzung, als zeigte sie die ganze Zeichenkette. Der Pfeil verbirgt die äußere Negation, , die ihr Argument zweimal schreibt.Die Implikation kürzt ab; die Negation von steht in der Zeichenkette, auch wenn der Pfeil sie nicht zeigt, und die Regel wirkt auf die Zeichenkette.Vier wären die Kopien eines Arguments unter zwei aufeinanderfolgenden Negationen, wie in ; hier gibt es nur eine äußere Negation, die es einmal verdoppelt.Nach den offiziellen Definitionen ist die Formel , das heißt : Die äußere Negation verdoppelt ihr Argument. Daraus folgt, dass das Setzen einer doppelten Negation vor das Antezedens zwei Anwendungen der Regel erfordert, eine in jeder Kopie; die zweite Lektion verwendet das, wenn sie das Deduktionstheorem erweitert.Wiederholen: Vier Ableitungstechniken
Frage 9Welche Formel erhält man aus durch Kontraposition, ohne doppelte Negationen hinzuzufügen?
Das ist die Umkehrung: Sie kehrt die Richtung um, ohne die Vorzeichen zu ändern, und ist im Allgemeinen nicht aus der gegebenen Formel ableitbar.Sie ändert die Vorzeichen, ohne die Richtung umzukehren; auch sie ist im Allgemeinen nicht aus der gegebenen Formel ableitbar.Sie vermischt zwei Operationen: Sie negiert beim Übergang, lässt aber unverändert. Die erste Form der Kontraposition ergäbe , mit einer Negation mehr.Das ist die zweite Form der Kontraposition: Die Glieder wechseln die Seite, und jedes wechselt beim Übergang das Vorzeichen; verliert seine Negation, und gewinnt eine. Die beiden Formeln sind beweisbar äquivalent.Wiederholen: Vier Ableitungstechniken
Frage 10Bezeichnen und dieselbe Formel?
Die Definition sagt, dass die Formel ist, nicht . Die eine für die andere zu nehmen ist der Fehler, den die Einheit vermeidet: In anderen Texten ist es eine Definition; in diesem Kurs ein Ergebnis.Die deutsche Lesung entscheidet nicht über die Identität zweier Zeichenketten: Sie wird durch Auflösen der Abkürzungen entschieden, und diese beiden haben verschiedene Längen.Sie sind beweisbar äquivalent: Die dritte Lektion beweist es mit zwei Anwendungen der Regel EDN, ohne ein anderes Hilfsmittel zu benötigen.Löst man die Implikation auf, deren Antezedens ist, so erscheint an der ersten Stelle des Peirce-Pfeils. Um von einer Formel zur anderen zu gelangen, muss man diese doppelte Negation innerhalb des Peirce-Pfeils entfernen oder setzen, und genau das erlaubt die Regel EDN; da die äußere Negation ihr Argument verdoppelt, wird die Regel zweimal angewandt, einmal in jeder Kopie.Wiederholen: Die Symmetrien der Junktoren
Frage 11Man weiß, dass , das heißt, dass jede aus der anderen ableitbar ist. Was rechtfertigt, dass auch ?
Beide Seiten zu negieren ist keine Regel des Kalküls, dessen einzige Regeln der Modus ponens und die Ersetzung der doppelten Negation sind, die nur eine Teilformel mit vertauscht. Dass die Operation zulässig ist, ist ein Satz, und er muss bewiesen werden.Die Definition sagt, welche Zeichenkette ist, setzt aber nicht mit in Beziehung: Zwei äquivalente Formeln sind nicht dieselbe Zeichenkette, und ihre Negationen ebenso wenig.Es ist wahr, und die Einheit beweist es; mehr noch, eine Formel kann an jeder Stelle jeder Formel durch eine äquivalente ersetzt werden.Aus erhält man ; die Kontraposition ergibt und die Umkehrung des Deduktionstheorems ; die andere Richtung geht ebenso. Für den Peirce-Pfeil braucht man außerdem das Fundamentallemma.Wiederholen: Die Symmetrien der Junktoren
Frage 12Aus der Prämissenmenge werden eine Formel und ihre Negation abgeleitet. Was kann man schließen?
Diese Antwort verwechselt die Annahme mit der Konklusion: Der Widerspruch widerlegt die Annahme , sodass man schließt.Das würde einen Widerspruch verlangen, der aus allein abgeleitet ist. Hier wurde er aus abgeleitet und kann auf die hinzugefügte Annahme zurückgehen; aus ist dagegen tatsächlich jede Formel ableitbar, nach dem Ex falso quodlibet.Im Gegenteil: Dass eine Annahme zu einem Widerspruch führt, erlaubt es, sie zu verwerfen. Das ist der Widerspruchsbeweis, der in der ganzen Mathematik vorkommt.Das ist die Reductio ad absurdum in ihrer klassischen Form: Wenn die Annahme zusammen mit zu einem Widerspruch führt, ist aus ableitbar. Die vierte Lektion beweist sie mit dem Ex falso quodlibet, dem Deduktionstheorem, A3 und dem Theorem .Wiederholen: Die Techniken der klassischen Logik
Frage 13Zu welcher Formel ist die Negation einer Implikation, , äquivalent?
Sie negiert jedes Glied, ohne den Junktor anzutasten. Die Negation einer Implikation ist keine andere Implikation: Die von „wenn es regnet, wird die Straße nass“ ist nicht „wenn es nicht regnet, wird die Straße nicht nass“, sondern „es regnet, und die Straße wird nicht nass“.Sie negiert nur das Konsequens. Wenn nicht gilt, gelten sowohl als auch , und eine Formel kann nicht zugleich mit ihrer Negation gelten.Sie vertauscht die Rollen: Eine Implikation versagt, wenn das Antezedens gilt und das Konsequens nicht, nicht umgekehrt.„Wenn , dann “ zu negieren heißt behaupten, dass gilt und nicht gilt. Die fünfte Lektion beweist es als eine Variante der De-Morgan-Gesetze: ist ; De Morgan ergibt , und die doppelte Negation mit der Ersetzung äquivalenter Formeln .Wiederholen: De-Morgan-Gesetze und Distributivgesetze
Inhalt wird geladen…
Abgeschlossen
Melde dich an, um deinen Fortschritt zu speichern