Краткое содержание
Два предыдущих раздела построили на одном и том же языке два понятия того, что следует из посылок: вывод, , который получает одни цепочки из других с помощью аксиом и правил, не спрашивая, что они значат, и семантическое следование, , которое перебирает оценки, не записывая никакого вывода. Этот урок доказывает, что для конечных множеств посылок оба понятия совпадают. Корректность () доказывается сильной индукцией по числу строк вывода, с одним случаем для каждой аксиомы и для каждого правила, включая правило замены двойного отрицания; из неё следуют непротиворечивость системы и метод, позволяющий доказать, что формула не выводима. Обратное утверждение, полнота, требует нового инструмента: леммы Кальмара, которая превращает каждую строку таблицы истинности формулы в вывод и индукция которой по сложности имеет лишь один составной случай, поскольку стрелка Пирса является единственной исходной связкой; для этого случая в системе выводятся две леммы о стрелке Пирса. Устраняя затем одну за другой с помощью разбора случаев гипотезы, фиксирующие строку, получаем, что всякая тавтология есть теорема, а с помощью двух теорем о дедукции, что всякое следствие конечного множества посылок из него выводится. Отсюда следуют разрешимость выводимости из конечного числа посылок и совпадение доказуемой эквивалентности с семантической. Случай бесконечного числа посылок остаётся для следующего урока, поскольку он требует теоремы компактности.
Цели обучения
- Сформулировать корректность и полноту в их слабой, конечной и сильной формах, различать их как независимые свойства и объяснить, почему рассуждение, получающее полноту «из корректности», содержит порочный круг.
- Доказать корректность сильной индукцией по числу строк, включая случай правила замены двойного отрицания, и применить её для доказательства непротиворечивости системы и невыводимости конкретных формул.
- Вывести в системе курса две леммы о стрелке Пирса и доказать с их помощью, индукцией по сложности, лемму Кальмара.
- Доказать слабую полноту, устраняя гипотезы разбором случаев, и полноту для конечных множеств посылок с помощью двух теорем о дедукции.
- Применять совпадение выводимости и следования, чтобы решать вопросы о выводимости, доказуемой эквивалентности и непротиворечивости и чтобы анализировать, что происходит при добавлении правил к системе.
Два вопроса о системе курса
Раздел о выводе зафиксировал систему курса: схемы аксиом A1, A2 и A3 Лукасевича и два правила, modus ponens (MP) и замену двойного отрицания (ЗДО), которую урок о четырёх приёмах вывода добавил после доказательства двойного отрицания. Вывод из множества есть конечная последовательность формул, в которой каждая является аксиомой, элементом , результатом modus ponens, применённого к двум предыдущим формулам, или результатом ЗДО, применённой к одной предыдущей; означает, что существует вывод из , последняя формула которого есть . Раздел о семантике, со своей стороны, определил в уроке о семантическом следовании и эквивалентности отношение : всякая оценка, выполняющая все формулы из , выполняет . Оба отношения записываются по одному образцу, множество слева и формула справа; однако их природа противоположна. Первое синтаксическое и экзистенциальное: оно утверждает, что существует конечный объект, вывод, который можно проверить символ за символом. Второе семантическое и универсальное: оно утверждает нечто обо всех оценках, которых бесконечно много и каждая из которых придаёт значения бесконечному числу переменных.
Таким образом, о системе возникают два вопроса. Первый: выводит ли она только то, что должна? Система называется корректной, если для всякого множества и всякой формулы из следует : то, что выводится из посылок, истинно при всякой оценке, при которой истинны посылки. Второй: выводит ли она всё, что должна? Система называется полной, если из следует . Полнота допускает три степени, в зависимости от того, какие множества посылок она охватывает:
- слабая полнота: если , то ; всякая тавтология есть теорема;
- полнота для конечных множеств: если , то ;
- сильная полнота: если , то , для произвольного множества , в том числе бесконечного.
Этот урок доказывает корректность и две первые степени полноты. Третья доказывается в уроке о теореме компактности, а причина такого разделения будет объяснена в конце урока.
Чего не следует говорить
В испанском языке корректность иногда называют «solvencia», калькой с английского soundness; испанский термин «corrección», и по-русски курс говорит «корректность». Не следует также определять её как свойство системы «выводить выражение из множества выражений»: это сама выводимость, а не свойство системы. Ошибки по существу, однако, другие, и их две.
Первая состоит в утверждении, что корректность и полноту «можно вывести одну из другой». Это независимые свойства: система Лукасевича без правила ЗДО корректна (доказательство этого урока это показывает, если опустить один случай) и не полна (урок о формальных дедуктивных системах предъявил тавтологию, которую она не выводит); а система, принявшая бы все формулы за аксиомы, была бы полной, не будучи корректной. Решённая задача 2 разбирает оба примера.
Вторая ошибка серьёзнее, поскольку выдаёт за доказательство полноты рассуждение, содержащее порочный круг. По существу оно гласит: если , то по теореме о дедукции ; «по корректности» ; и по семантической теореме о дедукции . Однако корректность говорит, что выводимое общезначимо, а её контрапозиция, что необщезначимое невыводимо:
Шаг рассуждения идёт в обратном направлении, от к , а это контрапозиция утверждения , то есть слабой полноты. Если это так, рассуждение предполагает то, что намерено доказать. Отсюда следует, что полнота не «выводится простым способом»: это самый глубокий результат курса, и её доказательство занимает большую часть этого урока. Наконец, неточно резюмировать полноту словами «все истинные выражения имеют доказательство»; доказательство имеет общезначимое, истинное при всякой оценке, а не истинное при некоторой: переменная истинна при многих оценках и не является теоремой.
Загрузка содержимого…