Zusammenfassung
Diese Lektion eröffnet die vierte und letzte inhaltliche Einheit des Kurses, die der Metatheorie gewidmet ist. Sie stellt ihre drei Lektionen und den Faden vor, der sie verbindet: Die beiden vorigen Einheiten haben über derselben Sprache zwei Begriffe dessen aufgebaut, was aus gegebenen Prämissen folgt, die Ableitung und die semantische Folgerung , und diese Einheit beweist, dass sie übereinstimmen, zuerst für endlich viele Prämissen (Korrektheit, Lemma von Kalmár und Vollständigkeit), dann für beliebige Prämissen (Kompaktheitssatz und starke Vollständigkeit), und bietet schließlich einen dritten Weg, die Folgerung zu entscheiden, die Resolutionsmethode, von der sie ebenfalls beweist, dass sie korrekt und vollständig ist. Sie erklärt, warum die Kompaktheit vor der starken Vollständigkeit bewiesen wird und nicht umgekehrt; sie zeigt an zwei Beispielen die Fragen, die weder die Suche nach Ableitungen noch die Wahrheitstafel für sich allein beantworten kann; sie legt fest, was aus den drei vorigen Einheiten übernommen wird, und gibt Ratschläge für ihr Studium.
Lernziele
- Die Abfolge der drei Lektionen der Einheit beschreiben, erklären, welche Ergebnisse jeder Lektion die nächste verwendet, und begründen, dass die Kompaktheit durch ein semantisches Argument vor der starken Vollständigkeit bewiesen wird.
- Die beiden Seiten des Kurses unterscheiden, die Ableitbarkeit , existenziell und endlich, und die semantische Folgerung , universell über unendlich viele Belegungen, und die Korrektheit und die Vollständigkeit in ihren drei Stufen formulieren.
- Erklären, warum sich die Übereinstimmung beider Relationen nicht Fall für Fall, sondern nur mit Metatheoremen feststellen lässt, und erkennen, welche Hilfsmittel der vorigen Einheiten (Induktionen, Fallunterscheidung, Deduktionstheoreme, Koinzidenzlemma, konjunktive Formen) jeder Beweis verwenden wird.
- Ableitungen über Ableitungen und semantische Argumente der Einheit lesen und dabei bei jedem Schritt unterscheiden, von welcher Relation die Rede ist, und das Studium vom Eingangstest aus 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 fünfzehn Fragen sind von zweierlei Art. Die ersten sechs betreffen, was die Einheit aus den vorigen als bekannt voraussetzt: die Definition der semantischen Folgerung und ihre Zurückführung auf die Unerfüllbarkeit, den Wert des Peirce-Pfeils, das Koinzidenzlemma, die Endlichkeit der Ableitung und die Fallunterscheidung; wer eine davon falsch beantwortet, sollte vor dem Weitergehen die Lektion wiederholen, die die Frage nennt. Die übrigen neun behandeln der Reihe nach die drei Lektionen dieser Einheit, je drei für jede. Wer nie die Metatheorie eines logischen Systems 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 EinheitenWas bedeutet ?
Das ist , die syntaktische Relation der Einheit über die Deduktion. Dass beide Relationen übereinstimmen, ist genau das, was diese Einheit beweist; sie von Anfang an für dieselbe zu halten, heißt vorauszusetzen, was bewiesen werden soll.Das ist die Erfüllbarkeit von . Mit und gibt es eine Belegung, die beide erfüllt, und dennoch folgt nicht aus : Die Belegung, die den Wert an und den Wert an vergibt, verhindert es.Die Folgerung kann mehrere Prämissen zusammen benötigen: , und keine der beiden Prämissen hat für sich allein als Folgerung.Das ist die Definition der semantischen Folgerung: eine universelle Aussage über die Belegungen, die keine Ableitungen erwähnt. Ist leer, so besagt sie, dass allgemeingültig ist; ist unerfüllbar, so gilt sie für jede .Wiederholen: Semantische Folgerung und Äquivalenz
Frage 2Aus früheren EinheitenWelche der folgenden Aussagen ist äquivalent zu ?
Das genügt nicht: ist erfüllbar, und folgt nicht aus . Die Folgerung läuft auf die Unmöglichkeit hinaus, die Konklusion zu widerlegen, nicht auf die Möglichkeit, sie zu bejahen.Das ist genau die Negation der Folgerung: Eine Belegung, die diese Menge erfüllt, ist ein Gegenmodell.Das besagt, dass allgemeingültig ist, und das ist der Fall, in dem leer ist; mit Prämissen kann eine Konklusion, die nicht allgemeingültig ist, dennoch Folgerung sein.Eine Belegung, die erfüllte, würde erfüllen und widerlegen, und genau das schließt die Folgerung aus. Das ist der Satz über Folgerung und Unerfüllbarkeit, den die Kompaktheit und die Resolution bei jedem Schritt verwenden.Wiederholen: Semantische Folgerung und Äquivalenz
Frage 3Aus früheren EinheitenWenn eine Belegung der Formel den Wert gibt, welchen Wert gibt sie ?
So würde sich der Sheffer-Strich verhalten, „nicht beide“, . Der Peirce-Pfeil, „weder… noch“, hat nur dann den Wert , wenn beide Komponenten den Wert haben.Das wäre der Wert, wenn der Peirce-Pfeil nur auf seine zweite Komponente achtete; die Klausel multipliziert die beiden Komplemente, und das von ist .Das verwechselt den Peirce-Pfeil mit der Disjunktion, die den Wert hat, wenn irgendeine Komponente ihn hat; der Peirce-Pfeil ist gerade die Negation der Disjunktion.Nach der Klausel des Peirce-Pfeils gilt , und der erste Faktor ist . Das ist der erste der drei Fälle des Lemmas von Kalmár, den die erste Lektion in eine Ableitung übersetzt.Wiederholen: Semantik der Aussagenlogik
Frage 4Aus früheren EinheitenDie Variablen von sind und . Zwei Belegungen und geben und dieselben Werte und allen übrigen Variablen entgegengesetzte Werte. Wenn , was lässt sich über sagen?
Unterschiede auf Variablen, die in nicht vorkommen, berühren sie nicht; deshalb hat eine Formel mit Variablen eine Tafel mit Zeilen, obwohl es unendlich viele Belegungen gibt.Den Wert von Variablen umzukehren, die in fehlen, ändert nichts; nur den von oder den von umzukehren, könnte ihren Wert ändern.Die Übereinstimmung auf den Variablen von genügt; die mit kleinerem Index, die in ihr nicht vorkommen, sind ebenso belanglos wie die mit größerem Index.Das ist das Koinzidenzlemma: Der Wert einer Formel hängt nur von den Werten ihrer Variablen ab, deren es endlich viele gibt. Die Kompaktheit verwendet es in ihrem letzten Schritt und das Lemma von Kalmár, damit eine Zeile der Tafel genügt.Wiederholen: Semantik der Aussagenlogik
Frage 5Aus früheren EinheitenSei eine unendliche Formelmenge mit . Was lässt sich sagen?
Die Prämissen lassen sich nicht streichen: , und ist kein Theorem.Eine Ableitung hat endlich viele Zeilen und kann nicht unendlich viele Prämissen benutzen; außerdem zwingt nichts dazu, alle verfügbaren Prämissen zu benutzen.Die Endlichkeit wurde in der Einheit über die Deduktion bewiesen, indem man nur auf die Länge der Ableitungen sah, ohne irgendeinen semantischen Satz. Die semantische Folgerung, nicht die Ableitung, ist es, die die Kompaktheit braucht.Das ist die Endlichkeit der Ableitung: Eine Ableitung ist eine endliche Folge und benutzt nur endlich viele Prämissen, die diese Teilmenge bilden. Ihr semantisches Gegenstück, dass, was aus folgt, schon aus einem endlichen Teil folgt, ist nicht trivial: Es ist der Kompaktheitssatz.Wiederholen: Formale Deduktionssysteme
Frage 6Aus früheren EinheitenMan weiß, dass und dass . Was lässt sich mit der Fallunterscheidung schließen?
Das muss man nicht wissen: Die Fallunterscheidung benutzt, dass eine der beiden Alternativen eintritt, ohne zu entscheiden, welche. Dass keine der beiden ableitet, ist der Normalfall, und die Regel gilt trotzdem.Das folgt nicht: Mit leerem und sind beide Voraussetzungen erfüllt, und ist falsch, wenn falsch ist, sodass es nicht ableitbar sein dürfte.Das stimmt, nach der Monotonie, ist aber viel weniger, als man weiß: Die Fallunterscheidung erlaubt es, auf die Annahme zu verzichten.Die Fallunterscheidung beseitigt die Annahme: Ist sowohl mit als auch mit ableitbar, so ist es ohne beide ableitbar. Die schwache Vollständigkeit wendet sie für jede Variable einmal an, um die Prämissen zu beseitigen, die das Lemma von Kalmár festlegt.Wiederholen: Die Techniken der klassischen Logik
Frage 7Der Kalkül des Kurses ist korrekt. Was besagt diese Eigenschaft?
Das ist die umgekehrte Richtung, die Vollständigkeit, die ein viel feineres Hilfsmittel verlangt, das Lemma von Kalmár.Das ist die Widerspruchsfreiheit des Kalküls, die aus der Korrektheit folgt, aber schwächer ist: Der Kalkül des Kurses mit dem zusätzlichen Axiom ist widerspruchsfrei und leitet etwas ab, das nicht allgemeingültig ist.Das vermischt zwei Fehler: Es kehrt die Richtung um und verwechselt das unter irgendeiner Belegung Wahre mit dem Allgemeingültigen. Die Variable ist unter vielen Belegungen wahr und ist kein Theorem.Was aus gegebenen Prämissen ableitbar ist, ist unter jeder Belegung wahr, die sie wahr macht. Es wird durch starke Induktion über die Anzahl der Zeilen bewiesen, mit einem Fall für jedes Axiom und für jede Regel.Wiederholen: Korrektheit und Vollständigkeit
Frage 8Sei die Belegung, die den Wert an und den Wert an vergibt. Was besagt das Lemma von Kalmár mit den Variablen und für die Formel ?
Das vergisst das Vorzeichen: Die Formel hat in dieser Zeile den Wert , und eine Ableitung aus Prämissen, die die Zeile wahr macht, kann nicht mit einer Formel enden, die die Zeile falsch macht.Das nimmt die Prämisse für falsch: Da , liefert die Zeile , nicht ; wenn und wahr sind, hat das Bikonditional den Wert .Das streicht die Prämissen der Zeile: ist nicht allgemeingültig. Das Lemma leitet aus der Zeile ab, und nur wenn die Formel in allen Zeilen den Wert hat, lassen sich die Prämissen beseitigen.Die Zeile von wird zu den Prämissen und ; da in ihr den Wert hat, ist die Formel mit Vorzeichen ihre Negation. Das Lemma besagt, dass der Kalkül aus der Zeile ableitet, was die Zeile über die Formel sagt.Wiederholen: Korrektheit und Vollständigkeit
Frage 9Kann ein Deduktionssystem korrekt sein, ohne vollständig zu sein?
Das ist ein häufiger Fehler, und die erste Lektion der Einheit widerlegt ihn. Ein Kalkül kann nur das Gebührende ableiten, ohne alles Gebührende abzuleiten, und umgekehrt.Dass die Axiome allgemeingültig sind, sichert, dass nichts Falsches abgeleitet wird, nicht, dass alles Wahre abgeleitet wird: Ein Kalkül ohne Axiome ist korrekt und leitet kein Theorem ab.Ein widersprüchlicher Kalkül leitet eine Formel und ihre Negation ab und kann nicht korrekt sein, weil keine Belegung beide erfüllt.Seine Axiome sind allgemeingültig, und der Modus ponens erhält die Wahrheit; aber die Markierung der Lektion über die Deduktionssysteme hat gezeigt, dass diese Tautologie in ihm nicht ableitbar ist. Die Korrektheit und die Vollständigkeit sind unabhängige Eigenschaften.Wiederholen: Korrektheit und Vollständigkeit
Frage 10Was besagt der Kompaktheitssatz?
Das scheitert schon an zwei Formeln: und sind erfüllbar, und ist es nicht. Was die Kompaktheit untersucht, sind die endlichen Teilmengen, nicht die einzelnen Formeln.Die Menge ist unendlich und unerfüllbar.Jede Menge hat eine erfüllbare endliche Teilmenge, die leere; die Bedingung muss für alle endlichen Teilmengen gelten, nicht für irgendeine.Eine Richtung ist unmittelbar; die andere verlangt, aus den Belegungen, die jede für sich die endlichen Teile erfüllen, eine einzige Belegung zu konstruieren. Die Lektion tut dies, indem sie nacheinander die Werte von festlegt.Wiederholen: Der Kompaktheitssatz
Frage 11Sei eine unendliche Formelmenge mit . Was sichert die Kompaktheit zu?
Ein endlicher Teil kann mehrere Formeln benötigen: Aus folgt , und keine Formel dieser Menge hat sie für sich allein als Folgerung.Die leere Teilmenge ist endlich, und aus ihr folgen nur die Tautologien; die Kompaktheit sichert irgendeine endliche Teilmenge zu, nicht alle.Die Prämissen können unentbehrlich sein: , und ist nicht allgemeingültig.Das ist die Folgerungsform: Was aus einer unendlichen Menge folgt, folgt schon aus einem endlichen Teil. Für die Ableitung war es die Endlichkeit, eine Trivialität; für die Folgerung ist es ein Satz.Wiederholen: Der Kompaktheitssatz
Frage 12Die erste Lektion beweist die Vollständigkeit für endliche Prämissenmengen. Warum genügt die Endlichkeit der Ableitung nicht, um sie auf eine unendliche Menge auszudehnen?
Das Argument ist zirkulär: Die Endlichkeit gilt für Ableitungen, und von weiß man noch nicht, ob es überhaupt eine gibt.Keine Formel hat unendlich viele Variablen. Das Hindernis liegt nicht in den Formeln, sondern darin, dass sich unendlich viele Prämissen nicht in eine einzige Implikation entladen lassen.Sie ist wahr: Die zweite Lektion beweist sie, mit der Kompaktheit. Was nicht ausreicht, ist die Methode der ersten Lektion, nicht die Aussage.Um von zu überzugehen, muss man zuerst ein endliches mit finden; die Endlichkeit lieferte nur dann einen endlichen Teil, wenn man schon wüsste, dass , und eben das wird gesucht.Wiederholen: Der Kompaktheitssatz
Frage 13Was ist die Resolvente der Klauseln und ?
Das vereinigt die Klauseln, ohne das komplementäre Paar zu streichen: Das ist keine Resolvente, sondern eine tautologische Klausel, die nichts besagt.Das verliert das Literal der zweiten Klausel: Die Resolvente behält alles, was nicht das eliminierte Paar ist, aus der einen wie aus der anderen Prämisse.Sie müssen kein Literal gemeinsam haben, sondern eines und sein Komplement enthalten: in der ersten und in der zweiten.Die Klauseln kollidieren in und : Man streicht dieses Paar und vereinigt die übrigen Literale. Es ist die Fallunterscheidung nach dem Wert von , auf Mengen geschrieben.Wiederholen: Die Resolutionsmethode
Frage 14Um durch Resolution zu entscheiden, ob , welche Klauselmenge versucht man zu widerlegen?
Das fügt die Konklusion statt ihrer Negation hinzu; diese Menge ist erfüllbar, und ihre Erfüllbarkeit sagt nichts über die Folgerung.Ohne die Negation der Konklusion ist die Menge der Prämissen erfüllbar, und die Resolution hat nichts zu widerlegen.Das negiert die Prämissen, die erhalten bleiben müssen: Nur die Konklusion wird negiert.Die Folgerung ist äquivalent zur Unerfüllbarkeit der Prämissen zusammen mit der Negation der Konklusion; man schreibt ihre Klauselform und sucht eine Widerlegung, die hier zwei Schritte hat.Wiederholen: Die Resolutionsmethode
Frage 15Lässt sich die leere Klausel durch Resolution aus der Menge herleiten?
Die Regel eliminiert ein einziges Paar pro Schritt, und das nicht aus Konvention: Zwei zu eliminieren würde aus einer erfüllbaren Menge herleiten.Der erste Schritt liefert , und keine Folge von Schritten erreicht , weil die Menge erfüllbar ist und alles Hergeleitete aus ihr folgt.Der Grund ist ein anderer: Die Menge der vier Klauseln aus zwei Literalen in und hat keine Einheitsklauseln und ist unerfüllbar, und die Resolution widerlegt sie, indem sie zuerst und herleitet.Die Belegung, die den Wert an und den Wert an vergibt, erfüllt sie; würde hergeleitet, so wäre sie unerfüllbar. Die beiden zulässigen Resolventen, und , sind tautologisch.Wiederholen: Die Resolutionsmethode
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