学习 4 个必备的推理技巧
摘要:在这节课中,我们描述了 4 种命题逻辑的推理技巧,以丰富迄今为止展示的初步命题计算。我们介绍了假设规则及其与单调性规则的结合,以及假设三段论和两种获得该推理规则的方法。还解释了双重否定等价和蕴涵的逆否命题。
学习目标:
在本课结束时,学生将能够
- 回忆推理的结构和简单的例子。
- 理解假设规则及其与推理定理的关系。
- 理解假设三段论及其与肯定前件法则的关系。
- 应用推理定理于命题逻辑中。
- 应用单调性规则于表达式推理中。
- 理解命题逻辑中的双重否定等价和蕴涵的逆否命题。
- 了解推理技巧的证明,并能在实践中应用。
内容目录
假设规则 (PRE)
假设三段论 (SH)
双重否定等价 (DN)
蕴涵的逆否命题等价 (CPI)
我们已经看到了推理的结构和简单的例子。现在我们将通过 4 种命题逻辑的推理技巧 来检验这些知识。通过这点,我们不仅会看到这些东西如何工作,而且还会开始引入一些丰富的程序,这将使迄今为止展示的初步命题计算摆脱其初步状态。
如果 \alpha、\beta 和 \gamma 是命题计算的表达式,那么可以从基础推导出以下推理技巧:
假设规则 (Pre)
最简单的推理规则 是假设规则。这是通过对定理 \vdash(\alpha\rightarrow\alpha) 应用 推理定理的逆命题 直接获得的。如果这些听起来像是晦涩难懂的语言,那么你需要知道的一切都在 这里。
\{\alpha\}\vdash \alpha
与单调性规则结合,它将允许你在推理中添加方便的表达式。
假设三段论 (SH)
假设三段论,或蕴涵的传递性,是肯定前件法则的一种演变。其公式如下:
\{(\alpha\rightarrow\beta), (\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash (\alpha\rightarrow\gamma)
有几种方法可以获得这个推理规则,我们很快就会看到其中的一些。
如果我们从表达式开始推理,构建以下推理将很容易:
| (1) | \alpha | ; 前提 |
| (2) | (\alpha \rightarrow \beta) | ; 前提 |
| (3) | (\beta\rightarrow \gamma) | ; 前提 |
| (4) | \beta | ; MP(1,2) |
| (5) | \gamma | ; MP(4,3) |
因此 \{\alpha,(\alpha\rightarrow\beta),(\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash\gamma
最后,应用推理定理在这个最后的表达式上,我们得到:
\{(\alpha\rightarrow\beta),(\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash(\alpha\rightarrow \gamma)
另一种获得这个规则的证明方法是通过推理推理,利用假设和单调性构建。请观察以下推理推理:
| (1) | \{\alpha, (\alpha\rightarrow \beta), (\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash \alpha | ; 假设和单调性 |
| (2) | \{\alpha, (\alpha\rightarrow \beta), (\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash (\alpha\rightarrow \beta) | ; 假设和单调性 |
| (3) | \{\alpha, (\alpha\rightarrow \beta), (\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash (\beta\rightarrow\gamma) | ; 假设和单调性 |
| (4) | \{\alpha, (\alpha\rightarrow \beta), (\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash \beta | ; MP(1,2) |
| (5) | \{\alpha, (\alpha\rightarrow \beta), (\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash \gamma | ; MP(4,3) |
| (6) | \{(\alpha\rightarrow \beta), (\beta\rightarrow\gamma)\}\vdash (\alpha \rightarrow \gamma) | ; TD(5) |
你应该注意到,这两种证明是相同的,只是用不同的风格开发的。在实践中,你可以根据自己觉得更舒适的情况在两种风格之间交替。
双重否定等价 (DN)
双重否定等价 复现了直观的概念,即一个命题的双重否定等于该命题本身。这用符号表示如下:
\alpha\dashv\vdash\neg\neg\alpha
现在我们来看一个证明:
| (1) | \vdash (\neg\neg \alpha \rightarrow (\neg\neg\neg\neg \alpha \rightarrow\neg\neg\alpha)) | ; A1 |
| (2) | \vdash ((\neg\neg\neg\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\alpha)\rightarrow(\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\neg\alpha)) | ; A3 |
| (3) | \vdash ((\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\neg\alpha)\rightarrow(\neg\neg\alpha \rightarrow \alpha)) | ; A3 |
| (4) | \vdash ((\neg\neg\neg\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\alpha)\rightarrow(\neg\neg\alpha \rightarrow \alpha)) | ; SH(2,3) |
| (5) | \{\neg\neg \alpha \} \vdash (\neg\neg\neg\neg \alpha \rightarrow\neg\neg\alpha) | ; RTD(1) |
| (6) | \{\neg\neg \alpha \} \vdash ((\neg\neg\neg\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\alpha)\rightarrow(\neg\neg\alpha \rightarrow \alpha)) | ; 单调性(4) |
| (7) | \{\neg\neg \alpha \} \vdash (\neg\neg\alpha \rightarrow \alpha) | ; MP(5,6) |
| (8) | \{\neg\neg \alpha \} \vdash \alpha | ; RTD(7) |
因此\{\neg\neg \alpha \} \vdash \alpha
为了从另一个方向进行证明,我们可以使用刚才的证明,通过简单的替换来重新适应,得到以下结果:
\{\neg\neg \neg \alpha \} \vdash \neg \alpha
然后从这一点开始构建相反方向的证明:
| (1) | \{\neg\neg \neg \alpha \} \vdash \neg \alpha | ; 刚才的证明 |
| (2) | \vdash(\neg\neg \neg \alpha\rightarrow \neg \alpha) | ; TD(1) |
| (3) | \vdash((\neg\neg \neg \alpha\rightarrow \neg \alpha) \rightarrow(\alpha \rightarrow\neg\neg\alpha)) | ; A3 |
| (4) | \vdash(\alpha \rightarrow\neg\neg\alpha) | ; MP(2,3) |
| (5) | \{\alpha\}\vdash\neg\neg\alpha | ; RTD(4) |
因此 \{\alpha \} \vdash \neg\neg \alpha
最后,通过这两个证明,我们得出 \alpha \dashv\vdash \neg\neg \alpha 。
蕴涵的逆否命题等价 (CpI)
这对应于 以下等价关系
(\alpha \rightarrow \beta) \dashv\vdash (\neg\beta \rightarrow \neg\alpha)
(\neg\alpha\rightarrow\beta)\dashv\vdash (\neg\beta\rightarrow\alpha)
(\alpha\rightarrow\neg\beta) \dashv\vdash (\beta\rightarrow\neg\alpha)
第一个关系的证明如下:
从一个方面,它可以直接从第三公理获得:
| (1) | \vdash ((\neg\beta\rightarrow \neg\alpha) \rightarrow (\alpha \rightarrow\beta)) | ; A3 |
| (2) | \{(\neg\beta\rightarrow \neg\alpha)\}\vdash (\alpha \rightarrow \beta) | ; RTD(1) |
因此 \{(\neg\beta\rightarrow \neg\alpha)\}\vdash (\alpha \rightarrow \beta)
在另一个方向上,证明可以从以下推理中获得:
| (1) | \neg\neg\alpha \dashv \vdash \alpha | ; DN |
| (2) | \vdash (\neg\neg \alpha \rightarrow \alpha) | ; TD(1) |
| (3) | \neg\neg\beta \dashv \vdash \beta | ; DN |
| (4) | \vdash (\beta \rightarrow \neg\neg \beta) | ; TD(3) |
| (5) | \{(\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg\neg \alpha \rightarrow \alpha) | ; 单调性(2) |
| (6) | \{(\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\alpha \rightarrow \beta) | ; 假设 |
| (7) | \{(\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg\neg \alpha \rightarrow\beta) | ; SH(5,6) |
| (8) | \{(\alpha \rightarrow \beta)\} \vdash (\beta \rightarrow \neg\neg \beta) | ; 单调性(4) |
| (9) | \{(\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg\neg \alpha \rightarrow \neg\neg \beta) | ; SH(7,8) |
| (10) | \vdash (\neg\neg \alpha \rightarrow \neg\neg \beta) \rightarrow (\neg \beta \rightarrow \neg \alpha ) | ; A3 |
| (11) | \{(\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash ((\neg\neg \alpha \rightarrow \neg\neg \beta) \rightarrow (\neg \beta \rightarrow \neg \alpha )) | ; 单调性(10) |
| (11) | \{(\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg \beta \rightarrow \neg \alpha ) | ; SH(10;11) |
因此 \{(\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg \beta \rightarrow \neg \alpha )
因此,从前面的两个推理中我们可以得出:
(\alpha \rightarrow \beta) \dashv\vdash (\neg \beta \rightarrow \neg \alpha )
为了证明第二个等价关系,我们可以做以下两个推理:
| (1) | \beta \dashv\vdash \neg\neg\beta | ; DN |
| (2) | \neg\neg\neg\alpha \dashv\vdash \neg\alpha | ; DN |
| (3) | \vdash (\beta \rightarrow \neg\neg\beta) | ; TD(1) |
| (4) | \vdash (\neg\neg\neg\alpha \rightarrow \neg\alpha) | ; TD(2) |
| (5) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg\alpha \rightarrow \beta) | ; 假设 |
| (6) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\beta \rightarrow \neg\neg\beta) | ; 单调性(3) |
| (7) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg\neg\neg\alpha \rightarrow \neg\alpha) | ; 单调性(4) |
| (8) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\beta) | ; SH(5,6) |
| (9) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg\neg\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\beta) | ; SH(7,8) |
| (10) | \vdash (\neg\neg\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\beta) \rightarrow (\neg\beta \rightarrow \neg\neg\alpha) | ; A3 |
| (11) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash ((\neg\neg\neg\alpha \rightarrow \neg\neg\beta) \rightarrow (\neg\beta \rightarrow \neg\neg\alpha)) | ; 单调性(10) |
| (12) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\}\vdash (\neg\beta \rightarrow \neg\neg\alpha) | ; MP(9,11) |
| (13) | \neg\neg \alpha \dashv \vdash \alpha | ; DN |
| (14) | \vdash (\neg\neg \alpha\rightarrow \alpha) | ; TD(13) |
| (15) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\} \vdash (\neg\neg \alpha\rightarrow \alpha) | ; 单调性(14) |
| (16) | \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\} \vdash(\neg\beta \rightarrow \alpha) | ; SH(12,15) |
因此 \{(\neg\alpha \rightarrow \beta)\} \vdash(\neg\beta \rightarrow \alpha)
现在我们需要做出相反方向的证明。我们可以通过以下推理来实现:
| (1) | \alpha \dashv \vdash \neg\neg\alpha | ; DN |
| (2) | \vdash (\alpha \rightarrow \neg\neg\alpha) | ; TD(1) |
| (3) | \{(\neg\beta\rightarrow\alpha)\}\vdash (\neg\beta\rightarrow\alpha) | ; 假设 |
| (4) | \{(\neg\beta\rightarrow\alpha)\}\vdash (\alpha \rightarrow \neg\neg\alpha) | ; 单调性(2) |
| (5) | \{(\neg\beta\rightarrow\alpha)\}\vdash (\neg\beta\rightarrow\neg\neg\alpha) | ; SH(3,4) |
| (6) | \vdash (\neg\beta\rightarrow\neg\neg\alpha)\rightarrow (\neg\alpha \rightarrow \beta) | ; A3 |
| (7) | \{(\neg\beta\rightarrow\alpha)\}\vdash ((\neg\beta\rightarrow\neg\neg\alpha)\rightarrow (\neg\alpha \rightarrow \beta)) | ; 单调性(6) |
| (8) | \{(\neg\beta\rightarrow\alpha)\}\vdash (\neg\alpha \rightarrow \beta) | ; MP(5,7) |
因此 \{(\neg\beta\rightarrow\alpha)\}\vdash (\neg\alpha \rightarrow \beta)
最后,通过这两个推理,我们可以得出 (\neg\beta\rightarrow\alpha) \dashv \vdash (\neg\alpha \rightarrow \beta) ,这就是我们想要证明的。
最后一个等价关系将作为练习。为了证明它,你可以参考我已经给出的两个证明。这是掌握推理技巧的最佳方式。
