Краткое содержание
Этот урок открывает первый раздел курса, посвящённый языку логики высказываний. Он представляет четыре урока раздела и нить, которая их связывает, от различения правильности и истинности до формализации рассуждений, сформулированных по-русски; помещает раздел на полный путь курса, ведущий от языка к выводу, к семантике и к метатеории, и объясняет, почему синтаксис должен предшествовать трём остальным частям; обосновывает выбор языка всего из двух символов, кружка и диска, с единственным правилом образования; уточняет то немногое, что считается известным, а именно внимательное чтение и элементарную арифметику; формулирует задачу, которую решает раздел: писать так, чтобы у каждого выражения было только одно прочтение, и доказать это для бесконечного множества формул; и даёт советы, как его изучать.
Цели обучения
- Описать последовательность содержания раздела и объяснить, что каждый урок даёт следующему.
- Поместить раздел в маршрут курса (язык, вывод, семантика и метатеория) и объяснить, почему синтаксис изучается раньше трёх остальных частей.
- Объяснить на примере, почему запись со связкой между её аргументами и без скобок неоднозначна и почему язык кружков и дисков не таков.
- Распознать то немногое, что предполагает раздел, и организовать его изучение, взяв за отправную точку входную самопроверку.
Входная проверка
Прежде чем проходить раздел, полезно измерить исходную точку. Эта проверка служит самопроверкой: она не оценивается, и её единственная цель состоит в том, чтобы направить учёбу. Её одиннадцать вопросов касаются по порядку четырёх уроков раздела: три относятся к первому, три ко второму, два к третьему и три к четвёртому. Тому, кто никогда не изучал логику, не стоит рассчитывать ответить верно на все, и это не важно: каждый ответ, верный или нет, объясняет суть дела и называет урок, в котором она разбирается. Те же навыки снова измеряются в конце, на итоговом уроке; поскольку это первый раздел курса, не требующего предварительной подготовки, вопросов о предыдущих разделах нет.
Перед началом раздела оцени свою отправную точку. Это короткая самопроверка: она не оценивается, а результат хранится только в твоём браузере.
Вопрос 1Рассуждение правильно, и его заключение ложно. Что можно утверждать о его посылках?
Здесь правильность смешивается с истинностью. Правильность есть свойство формы: «всякое простое число нечётно; есть простое число; следовательно, нечётно» есть правильное рассуждение, и его заключение ложно потому, что ложна его первая посылка.Это требует слишком многого: в рассуждении о числе посылка « есть простое число» истинна. Правильность гарантирует лишь, что не все посылки истинны.Посылки рассуждения могут быть какими угодно, даже простыми допущениями; правильность ничего не говорит об их истинности, а лишь о том, что происходит, если они истинны.Правильное рассуждение не может иметь все посылки истинными, а заключение ложным: если бы все они были истинны, истинным было бы и заключение. Следовательно, при ложном заключении какая-то посылка не выполняется; достаточно одной.Повторить: Что такое математическая логика
Вопрос 2О чём говорит предложение «„Рим“ состоит из трёх букв», и истинно ли оно?
Это было бы верно для предложения «Рим состоит из трёх букв», без кавычек, где слово употреблено, чтобы говорить о городе. С кавычками предложение говорит о слове.Здесь смешиваются употребление и упоминание: если бы предложение говорило о городе, оно приписывало бы ему буквы, которых у города нет; три буквы есть у его названия, и именно о нём говорит предложение.Предложение говорит не о самом себе, а о слове; это повествовательное предложение, истинное или ложное, и, следовательно, высказывание.Кавычки превращают выражение в имя этого выражения: предложение упоминает слово, а не употребляет его, чтобы обозначить город. В слове действительно три буквы.Повторить: Что такое математическая логика
Вопрос 3О списке чисел , , утверждается: «все числа из списка не являются простыми». Что можно сказать об этом предложении?
Это лишь одно из его прочтений, то, которое отрицает каждое число по отдельности. Предложение допускает и другое, столь же грамматичное, и для этого списка у двух прочтений разные значения.Это прочтение «не все простые»; предложение допускает и прочтение «ни одно не простое», которое ложно. Прежде чем оценивать неоднозначное предложение, нужно решить, какое из его прочтений оценивается.Парадокс выводит противоречие из приемлемых допущений; здесь никакого противоречия не выводится: есть два прочтения, каждое со своим значением. Неоднозначность не есть парадокс.Это неоднозначность области действия: неизвестно, действует ли отрицание на каждое число или на всё утверждение. Поскольку простое, первое прочтение ложно; поскольку не простое, второе истинно.Повторить: Что такое математическая логика
Вопрос 4Сколько различных цепочек длины можно записать двумя символами и ?
Правильный ответ:
Каждое из четырёх мест допускает два символа, и каждый выбор даёт другую цепочку: при переходе от одной длины к следующей число цепочек удваивается, так что имеется , , и цепочек длин от до . Тот, кто получает , умножил на длину, вместо того чтобы возвести его в степень, равную длине; тот, кто получает , сложил цепочки всех длин от до .Повторить: Язык логики высказываний
Вопрос 5Если и , какая цепочка есть конкатенация , которая состоит в том, что записывается вслед за ?
Это : первой записана . Конкатенация не коммутативна, и порядок букв указывает порядок цепочек.Цепочка не есть множество символов: повторяющиеся символы учитываются всякий раз, когда встречаются, и конкатенация сохраняет все символы обеих цепочек.Конкатенация даёт одну цепочку из трёх символов; буквы и лишь называли две её части.Записываются символы и затем символы , в этом порядке; длина равна сумме длин, .Повторить: Язык логики высказываний
Вопрос 6В языке курса переменные суть цепочки , , и так далее, а единственное правило гласит, что если и формулы, то и формула. Какая из следующих цепочек есть формула?
Она начинается с кружка, так что, будь она формулой, она была бы переменной; но после переменной остаётся лишний диск, а ни одна переменная не кончается двумя дисками.Начальный диск требует после себя двух формул, а здесь только одна, переменная .Всякая формула кончается диском: так кончаются переменные, и правило сохраняет последний символ . Цепочка, которая кончается кружком, не есть формула.Это диск, за которым следуют переменные и : правило, применённое один раз к двум формулам.Повторить: Язык логики высказываний
Вопрос 7Кто-то доказывает, что для всякого натурального , если чётно, то чётно. Что можно отсюда заключить?
Здесь опущена база индукции, а она не формальность: без неё шаг индукции может быть истинным для свойства, которое не выполняется никогда, как это.Шаг индукции не устанавливает никакой отправной точки; чтобы заключить что-либо, начиная с , нужно было бы доказать, что чётно, а это не так.Без истинного случая, от которого можно оттолкнуться, шаг индукции не гарантирует ни одного; а здесь такого случая нет.Шаг индукции утверждает лишь, что свойство передаётся от каждого натурального числа к следующему; если оно не выполняется для первого, цепи импликаций не за что зацепиться. Здесь нечётно, а произведение нечётных чисел нечётно.Повторить: Индукция по натуральным числам и по формулам
Вопрос 8Что достаточно доказать, чтобы доказать, что все формулы языка кружков и дисков обладают некоторым свойством?
В стороне остаются другие переменные и почти все составные формулы: отрицание есть частная цепочка , а формулы вроде , с двумя разными компонентами, не являются отрицаниями.Единственная формула длины есть ; проверка одного случая или многих ничего не говорит о бесконечно многих остальных. Нужен шаг, который передаёт свойство составным формулам.Никакое количество проверенных примеров не доказывает утверждения о бесконечном множестве формул; поэтому раздел строит индукцию.Это принцип индукции по сложности формул: его база охватывает все исходные элементы, а его шаг, единственное правило образования. Всякая формула получается из этих элементов по этому правилу, так что ни одна не остаётся в стороне.Повторить: Индукция по натуральным числам и по формулам
Вопрос 9При словаре , «идёт дождь», и , «матч отменяют», как формализуется «матч отменяют, только если идёт дождь»?
Здесь «только если» смешивается с «если»: эта формула говорит, что дождя достаточно для отмены матча, а высказывание этого не утверждает; оно говорит лишь, что без дождя отмены нет.Она добавляет условие, которого высказывание не содержит: что дождя достаточно для отмены матча. «Только если» даёт лишь одно направление.Она утверждает, что идёт дождь и что матч отменяют, тогда как высказывание условно: оно истинно и в день без дождя, когда матч играют.«, только если » говорит, что не происходит без : если матч отменяют, то идёт дождь. Стрелка направлена к тому, что следует за «только если», то есть к необходимому условию.Повторить: Формализация естественного языка
Вопрос 10При словаре , «идёт дождь», и , «стоит мороз», какая формула буквально следует конструкции «нет ни дождя, ни мороза»?
Эта формула истинна, если нет хотя бы одного из двух, например если идёт дождь, а мороза нет; высказывание же требует, чтобы не было ни того, ни другого.Она говорит «не то и другое вместе», что истинно, когда происходит только одно; «ни… ни» требует, чтобы не происходило ни того, ни другого.Она сказала бы «нет ни отсутствия дождя, ни отсутствия мороза», то есть что идёт дождь и стоит мороз: стрелка Пирса уже содержит отрицания, и отрицание её частей удваивает их.Стрелка Пирса истинна в точности тогда, когда обе её части ложны, и читается «ни , ни »: в языке есть конструкция, в точности соответствующая единственной исходной связке курса.Повторить: Формализация естественного языка
Вопрос 11В каких случаях ложна импликация курса , то есть материальная импликация?
Наоборот: при ложном антецеденте импликация истинна, какой бы ни была . «Для всякого , если кратно , то оно чётно» должно быть истинным и при .Материальная импликация не утверждает никакой связи, ни причинной, ни смысловой, между своими частями: её истинность зависит только от истинности и .Здесь импликация смешивается со своей обратной, . При истинном консеквенте истинна.Импликация сокращает , которая истинна, когда ложна или истинна; она ложна в единственном случае. Это единственное, что импликация запрещает.Повторить: Формализация естественного языка
Содержание раздела
Этот раздел служит прежде всего первой из целей курса: отличать язык-объект от метаязыка и решать с помощью правил образования, является ли цепочка формулой; он служит также второй, формализовать высказывания и рассуждения естественного языка, и подготавливает четвёртую, доказывать метатеоремы индукцией, которая будет сопровождать курс до его последнего раздела. Его цель в том, чтобы тот, кто его закончит, знал, что изучает логика, располагал формальным языком, построенным со всей строгостью, умел доказывать свойства всех его формул и мог переводить на него высказывания и рассуждения русского языка, зная, что перевод сохраняет и что теряет. Четыре его урока образуют цепь, в которой каждый опирается на предыдущие.
- Что такое математическая логика. Урок очерчивает предмет дисциплины: не истинность отдельных высказываний, а правильность, то отношение между посылками и заключением, которое гарантирует, что истинность первых переходит на второе. Он отличает правильность от истинности, показывает, почему естественный язык, неоднозначный и способный говорить о себе самом, недостаточен для её изучения, и устанавливает различение языка-объекта и метаязыка. Он разбирает, с явными допущениями, парадоксы лжеца, Берри, брадобрея и Рассела и завершается картой курса.
- Язык логики высказываний. Урок излагает необходимое о множествах и цепочках символов, подсчитывает цепочки, которые можно записать двумя символами, и строит базовый язык: бесконечно много переменных, записанных кружками и дисками, единственное правило образования и условие замыкания, из которого выводится принцип для доказательства свойств всех формул. Он даёт разрешающую процедуру, позволяющую решить, является ли цепочка формулой, и строит над базовым языком метаязык, которым мы будем пользоваться в дальнейшем: метапеременные, стрелку Пирса, записанную со скобками, и официальные сокращения остальных связок.
- Индукция по натуральным числам и по формулам. Урок излагает индукцию по натуральным числам, простую и сильную, и переносит её на формулы. С её помощью он доказывает лемму о весе, а из неё теорему об однозначности разбора, которую сформулировал предыдущий урок: каждая составная формула разлагается единственным образом. Однозначность разбора, наконец, оправдывает определения по рекурсии на формулах (длина, подформулы, глубина) и подстановку вместо одной подформулы другой.
- Формализация естественного языка. Урок наводит мост между русским языком и формальным: словарь формализации, прочтение каждой связки, выведенное из прочтения исходной связки, тонкости «но», «только если» и «если только не», область действия связок, материальная импликация и то, чего логика высказываний выразить не может. Он завершается формализацией полных рассуждений как множества посылок и заключения, которые следующие разделы подвергнут выводу и семантике.
Раздел завершается уроком итогов и задач повышенной трудности, который собирает достигнутое в дедуктивную цепь, повторяет в своей итоговой проверке навыки входной проверки и предлагает задачи, сочетающие несколько уроков.
Место раздела в курсе
Курс проходит для простейшего языка логики полный путь логической теории и делает это в четырёх частях, которые суть четыре его содержательных раздела. Первый, этот, фиксирует язык. Второй, вывод, определяет, что значит, что формула получается из множества формул посредством аксиом и правил вывода, что будет записываться ; это синтаксическая сторона правильности, в которой оперируют знаками, не принимая во внимание их значения. Третий, семантика, приписывает каждой формуле истинностное значение при каждой оценке и определяет, что значит, что есть семантическое следствие , что будет записываться ; это семантическая сторона правильности. Четвёртый, метатеория, доказывает, что обе стороны совпадают: корректность говорит, что всё выводимое есть следствие, а полнота, что всякое следствие выводимо.
Если это так, синтаксис не преамбула, которую можно сократить, а условие трёх остальных частей. Вывод есть последовательность формул, и чтобы решить, является ли последовательность выводом, нужно без колебаний знать, какие цепочки суть формулы и как они разлагаются; оценка продолжается с переменных на все формулы по рекурсии, а рекурсия даёт каждой формуле одно значение, только если у каждой формулы единственное прочтение; теоремы метатеории доказываются индукцией, по сложности формул или по длине выводов. Отсюда следует порядок раздела: сначала то, что мы хотим изучать, и то, почему нужен формальный язык; затем сам язык; потом инструмент, позволяющий доказать что-либо обо всех его формулах, с помощью которого доказывается однозначность разбора; и, наконец, мост к рассуждениям на русском языке, ради которых и существует всё предыдущее.
Почему язык кружков и дисков
Язык курса имеет алфавит всего из двух символов, кружка и диска , и единственное правило образования: если и формулы, то и формула. -я переменная есть цепочка из кружков, за которыми следует диск, . На первый взгляд выбор странен, потому что записанные так формулы трудно читать. У него, однако, есть четыре точные причины.
Первая состоит в том, что двух символов достаточно, чтобы записать бесконечно много переменных, не выходя за пределы конечного алфавита, так что всякая формула есть, буквально, конечная цепочка символов из множества двух элементов, а вопросы о языке суть вопросы о цепочках, которые можно подсчитывать и сравнивать. Вторая в том, что единственное правило оставляет в каждом доказательстве индукцией единственный случай: то, что доказано для переменных и для , доказано для всех формул, без отдельного случая для каждой связки. Третья в том, что правило ставит связку перед двумя её аргументами, как в записи, которую предложил Ян Лукасевич в 1920-х годах, и поэтому не нуждается в скобках: однозначность разбора устанавливается доказательством в одну страницу, которое приписывает каждой переменной вес , а каждому диску-связке вес . Четвёртая в том, что единственная связка, стрелка Пирса, «ни , ни », достаточна для выражения всех остальных, как заметил Чарльз Сандерс Пирс около 1880 года и опубликовал Генри Шеффер в 1913 году и как докажет раздел семантики; так что экономность языка не жертвует ничем из того, что может сказать логика высказываний.
Однако ценой этой экономности оказывается удобочитаемость, и раздел платит её в метаязыке: никто не будет ежедневно писать цепочки кружков и дисков, а будет писать их имена, , , , определённые один раз и в любой момент развёртываемые до цепочки, которую они обозначают. Следовательно, курс работает сразу на двух уровнях: минимальный базовый язык, о котором доказывают, и удобная запись, которой пишут; и различение языка-объекта и метаязыка, которое вводит первый урок, позволяет их не смешивать.
Что считается известным
Раздел начинается почти с нуля. Он не предполагает ни изучения логики, ни знания теории множеств, ни опыта доказательства теорем: то, что он использует из теории множеств, излагает второй урок, а то, что использует из индукции, третий. Он предполагает лишь две вещи. Первая: внимательное чтение; в формальном языке добавленный или пропущенный символ меняет цепочку, а порядок слов в определении важен не меньше, чем сами слова. Вторая: элементарная арифметика натуральных чисел, которые в этом курсе суть , то есть умение складывать и умножать, вычислять степени числа , отличать чётные числа от нечётных и распознавать простое число.
Тот, кто хочет дополнительной опоры для индукции, может обратиться к урокам об аксиомах Пеано и о суммах и индукции из курса «Алгебра и геометрия I»; это не обязательно, потому что третий урок этого раздела излагает индукцию начиная с её формулировки.
Задача, которую решает раздел
Логика изучает правильность, а правильность зависит от формы рассуждений. Но чтобы говорить о форме строго, нужно, чтобы у каждого выражения была только одна форма, а естественный язык этого не гарантирует: «дважды три плюс четыре» может быть или , смотря по тому, как группировать. Отсюда две задачи, которые и составляют задачи раздела. Первая состоит в том, чтобы построить язык, в котором у каждого выражения только одно прочтение. Вторая в том, чтобы это доказать: формул бесконечно много, и никакая проверка случай за случаем, сколь бы долгой она ни была, не устанавливает, что у каждой из них только одно прочтение. Следующий пример показывает обе задачи на одном выражении.
Выражение , записанное со связкой между её аргументами и без скобок, не указывает, какая из двух связок главная. В языке кружков и дисков, напротив, каждая группировка есть отдельная цепочка, и сама цепочка говорит, как она группируется.
Доказательство
Первое прочтение: первая связка соединяет с , а вторая главная. В базовом языке оба диска стоят впереди.
Второе прочтение: вторая связка соединяет с , а первая главная. Второй диск стоит между и .
Записанные кружками и дисками, две цепочки различаются уже вторым символом: это разные формулы.
Чтобы разобрать первую цепочку, достаточно считать: после начального диска каждый диск-связка вычитает , а каждая переменная прибавляет , и первая компонента кончается там, где сумма впервые достигает .
Откуда первая компонента есть , а вторая : цепочка разбирается согласно первому прочтению, и никак иначе. То, что этот подсчёт работает для всех формул, а не только для этой, и есть теорема об однозначности разбора, которую третий урок доказывает индукцией.
Итак, ответ раздела на эти две задачи состоит из двух частей. Для первой: язык, единственное правило которого ставит связку впереди, так что скобки не нужны, и метаязык, каждое сокращение которого обозначает единственную цепочку. Для второй: принцип доказательства, индукция по сложности формул, которая переходит от конечного числа проверок (переменные и правило) ко всем формулам, так же как индукция по натуральным числам переходит от и от шага от к ко всем числам. С обеими частями форма рассуждения становится точным объектом, и вопрос о его правильности можно строго поставить в следующих разделах.
Как изучать раздел
Стоит начать с этой входной проверки и отметить вопросы, на которые дан неверный ответ: они указывают уроки, на которых нужно задержаться. Четыре урока следует изучать по порядку, потому что каждый использует то, что устанавливают предыдущие. Во втором и третьем изучение требует бумаги и карандаша: цепочки кружков и дисков плохо читаются на экране, и их стоит переписывать, разделять на слова (каждая переменная и каждый отдельный диск) и отмечать вес каждого слова, пока подсчёт однозначности разбора не войдёт в привычку. Доказательства публикуются в виде проигрывателей шагов, и каждый шаг нужно уметь обосновать, прежде чем идти дальше. В первом и четвёртом работа состоит во внимательном чтении: перед каждым русским предложением спрашивать себя, что именно оно утверждает, какие прочтения допускает и какая формула его представляет. Наконец, подсказку и ответ каждой задачи для самостоятельного решения открывают только после серьёзной попытки её решить.
Куда он ведёт
По окончании раздела язык будет зафиксирован, и следующие разделы будут строиться на нём, не возвращаясь к его обсуждению. Раздел о выводе определит систему аксиом и двух правил вывода, modus ponens и, после того как будет доказано двойное отрицание, замены двойного отрицания, выводы в которой суть последовательности формул; её аксиомы записываются официальными сокращениями, которые определяет этот раздел, а её теорема о дедукции доказывается индукцией по длине выводов, тем инструментом, которому учит этот раздел. Его первый урок посвящён формальным дедуктивным системам. Раздел о семантике припишет истинностные значения переменным и продолжит их на все формулы по рекурсии, что возможно только благодаря однозначности разбора; он обоснует таблицами неформальные прочтения связок, которыми пользуется четвёртый урок, и докажет в уроке о функциональной полноте, что стрелки Пирса достаточно для выражения любой связки. Раздел о метатеории, наконец, докажет индукцией корректность и полноту, и рассуждения, которые этот раздел учит формализовать, можно будет наконец проверять как выводом, так и семантикой, безразлично чем.
Вне этого курса синтаксис формального языка есть синтаксис всякого языка программирования: компилятор из курса «Программирование на C++ I» начинает с того, что решает, правильно ли построена программа, и разлагает её единственным образом. Различение правильности и истинности есть также отправная точка курса «Логика Аристотеля», который изучает форму силлогизмов; а индукция третьего урока есть та же индукция, которая доказывает свойства чисел в курсе «Алгебра и геометрия I». Во всех этих областях, как и при составлении норм и договоров, мысль одна и та же: чтобы точно сказать, что утверждается, нужен язык, в котором у каждого выражения только одно прочтение.