4种必不可少的推理技巧

4种必不可少的推理技巧

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

  1. 回忆推理的结构和简单的例子。
  2. 理解假设规则及其与推理定理的关系。
  3. 理解假设三段论及其与肯定前件法则的关系。
  4. 应用推理定理于命题逻辑中。
  5. 应用单调性规则于表达式推理中。
  6. 理解命题逻辑中的双重否定等价和蕴涵的逆否命题。
  7. 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\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。

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