Краткое содержание
Этот урок завершает раздел, посвящённый метатеории, а вместе с ним и содержание курса. Он восстанавливает дедуктивную цепь, которая ведёт от общезначимости аксиом к корректности системы; от двух лемм о стрелке Пирса к лемме Кальмара и к полноте для конечных посылок; от леммы о двух свидетелях к теореме компактности и через неё к сильной полноте; и от клаузальной формы к корректности и полноте опровержения метода резолюций, указывая в каждом звене, какие результаты оно использует и в каком уроке доказывается. Он показывает, как в совпадении и сходятся три предыдущие части курса, язык, вывод и семантика, и что каждая из них вносит в это совпадение; он отделяет то, что курс доказал, от того, что он принял, и от того, что он оставляет открытым. В итоговой проверке он повторяет навыки входной проверки и завершается шестью задачами повышенной трудности, более сложными, чем задачи уроков, которые требуют сочетать инструменты нескольких из них.
Цели обучения
- Восстанавливать логический порядок результатов раздела, указывая предыдущие результаты, на которые опирается каждый, и урок, в котором он доказывается, и обосновывать порядок компактности и сильной полноты.
- Объяснять, как язык, вывод и семантика сходятся в совпадении и и какой результат каждого раздела курса для него необходим.
- Отличать то, что курс доказал, от того, что он принял (схемы аксиом, исходные правила и индукцию), и от того, что он оставляет открытым (стоимость решения вопроса о выполнимости и логику с кванторами).
- Решать задачи, сочетающие разметки, лемму Кальмара, равномерную подстановку, компактность и резолюцию, используя в каждом случае лёгкую сторону совпадения.
Чего достиг раздел
Раздел поставил целью сравнить два отношения, которые предыдущие разделы построили на одном и том же языке, выводимость и семантическое следование , и доказать, что они совпадают. Эта цель достигнута без оговорок в формулировках: оба отношения суть одно и то же для всякого множества посылок, конечного или бесконечного, а резолюция даёт третий способ, столь же корректный и полный, решать вопрос о следовании. Оговорки касаются методов, и каждая была сделана в своём месте: полнота из первого урока конструктивна, но не практична, поскольку даёт выводы такой же длины, как таблица; компактность гарантирует, что оценка существует, но не учит её находить; а резолюция решает вопрос, но её стоимость в худшем случае остаётся открытым вопросом. С этими оговорками пройденный путь можно прочесть как одну дедуктивную цепь из четырёх участков.
Корректность
Урок о корректности и полноте начал с того, что зафиксировал терминологию: система корректна, если , и полна, если верно обратное, причём в трёх степенях (слабая, для конечных множеств и сильная). Он разобрал круговое рассуждение, которое пытается получить полноту «из корректности», переходя от к , тогда как этот переход есть контрапозиция слабой полноты, и показал, что оба свойства независимы. Затем он доказал, что всякий частный случай A1, A2 и A3 общезначим, предположив оценку, которая его опровергает, и придя через ложную строку импликации к невозможным значениям; и сильной индукцией по числу строк доказал корректность, с одним случаем для аксиом, другим для посылок, семантическим modus ponens и, для правила замены двойного отрицания, эквивалентностью вместе с теоремой о семантической замене. Свойство, которое передаётся от строки к строке, есть не общезначимость, а выполнимость при фиксированной оценке, выполняющей посылки, и поэтому корректность имеет место и при посылках, в том числе бесконечных. Из неё получились непротиворечивость всякого выполнимого множества, в частности самой системы, и метод, которого не было у раздела о выводе: контрмодель доказывает, что вывода не существует.
Кальмар и конечная полнота
Тот же урок доказал обратное утверждение в два шага. Первый шаг есть лемма Кальмара: если переменные формулы находятся среди , то для всякой оценки , где есть , если , и в противном случае; система выводит из каждой строки то, что эта строка говорит о формуле. Её индукция по сложности имеет лишь один составной случай, , поскольку стрелка Пирса является единственной исходной связкой, а в нём три подслучая, которые требуют двух лемм системы, второй в двух формах: , выводимой с помощью введения конъюнкции, двойного отрицания и двух применений правила ЗДО, а также и , выводимых с помощью введения дизъюнкции. Второй шаг устраняет посылки: если есть тавтология, она выводится из посылок всех строк, и разбор случаев устраняет литерал последней переменной, затем предпоследней и так далее, пока не будет получено , то есть слабая полнота. С помощью семантической теоремы о дедукции и обращения синтаксической полнота была распространена на конечные множества посылок; откуда для конечных посылок вывод и следование совпадают, доказуемая эквивалентность совпадает с семантической, а выводимость разрешима, поскольку за неё отвечает таблица.
Компактность и сильная полнота
Урок о теореме компактности занялся бесконечным случаем, которого лемма Кальмара не достигает, поскольку бесконечное число посылок нельзя перенести в импликацию. Он доказал, не упоминая никакого вывода, что множество выполнимо тогда и только тогда, когда выполнимо каждое из его конечных подмножеств. Последовательность значений для хорошая, если всякое конечное подмножество множества выполняется некоторой оценкой, которая её продолжает; лемма о двух свидетелях гарантирует, что хорошая последовательность продолжается до хорошей, поскольку, если бы ни одно из двух продолжений не было хорошим, объединение двух конечных свидетелей противоречило бы тому, что последовательность хорошая; а оценка, которая получается, если всегда предпочитать , когда это возможно, выполняет каждую формулу по лемме о совпадении, поскольку каждая формула содержит конечное число переменных. Построение не нуждается в аксиоме выбора, поскольку переменные занумерованы и у каждого шага есть правило. Из компактности последовали её эквивалентные формы, форма невыполнимости и форма следования; из последней, из полноты для конечных посылок и из монотонности, сильная полнота; а из неё и из корректности полное совпадение: для всякого , и множество непротиворечиво тогда и только тогда, когда оно выполнимо. Урок предупредил, что этот порядок не есть дело вкуса: получать компактность из сильной полноты, которой ещё нет, было бы порочным кругом. Он завершился раскраской счётных графов, которая переводит бесконечную задачу в множество формул, конечные части которого выполнимы, и пределами того, что может выразить множество формул.
Резолюция
Урок о методе резолюций заменил множества формул множествами дизъюнктов, каждый из которых есть конечное множество литералов, с двумя представлениями: клаузальной формой, у которой те же модели, и определительной формой, которая вводит новую переменную для каждой составной подзаписи, сохраняет лишь выполнимость и растёт как формула, а не как степень двойки. На дизъюнкты действует одно-единственное правило: из и , где и , выводится , а опровержение есть порождение, которое приходит к . Корректность была доказана так же, как корректность системы, индукцией по порождению, с резольвентой как следствием её посылок; полнота опровержения доказана индукцией по числу переменных, с помощью исключения переменной, которое сохраняет выполнимость и доказательство которого строит модель; а для бесконечных множеств снова с помощью компактности. Отсюда получилось, что тогда и только тогда, когда клаузальная форма множества имеет опровержение, и что насыщение, конечное, поскольку при переменных дизъюнктов не больше , решает вопрос о выполнимости без таблиц. Урок изложил проблему выполнимости, стоимость решения которой в худшем случае никому не известна, и два случая, решаемых быстро: дизъюнкты Хорна и дизъюнкты из двух литералов.
Следующий рисунок соединяет четыре участка в одну цепь. Каждый узел столбца есть результат, занумерованный согласно логическому порядку и соединённый дугой с предыдущими звеньями, которые использует его доказательство; вокруг столбца располагаются опоры, то есть принципы и инструменты, к которым цепь обращается снова и снова, каждая из которых соединена сплошной линией со звеньями, опирающимися на неё, и пунктирной со звеном, где она устанавливается, кроме тех, что пришли из предыдущих разделов и изображаются кольцами. При нажатии на опору выделяются все звенья, которые её используют, а каждое звено отсылает к уроку, в котором оно доказывается. Заметим, что корректность и компактность, установленные одна на первом участке, а другая на третьем, вновь появляются на следующих участках и что самая востребованная опора раздела есть оценки и совпадение, а за ними следует индукция в трёх её формах: по строкам вывода, по сложности формулы и по числу переменных множества дизъюнктов.
Опоры цепи
- AИндукция и рекурсия. Сильная индукция по натуральным числам, индукция по сложности формул, с единственным составным случаем , и определение рекурсией. Доказаны в первом разделе. В этом модуле принимается без доказательства.
- BСистема курса. A1, A2 и A3, modus ponens и правило ЗДО; рефлексивность, монотонность, modus ponens для выводов, конечность и . Зафиксированы во втором разделе. В этом модуле принимается без доказательства.
- CПроизводные приёмы. Двойное отрицание из урока о четырёх приёмах; введение конъюнкции и дизъюнкции и разбор случаев (если и , то ) из урока о приёмах классической логики. Доказаны во втором разделе. В этом модуле принимается без доказательства.
- DОценки и совпадение. ; если две оценки совпадают на , они придают одно и то же значение; общезначимость устанавливается по строкам. Доказаны в третьем разделе. В этом модуле принимается без доказательства.
- EСемантическое следование. Ложная строка импликации, монотонность, , тогда и только тогда, когда невыполнимо, и теорема о семантической замене. Доказаны в третьем разделе. В этом модуле принимается без доказательства.
- FКонъюнктивные формы. Лемма о значении; всякая формула эквивалентна конъюнктивной нормальной форме, которой может потребоваться дизъюнктов; дизъюнкция литералов общезначима тогда и только тогда, когда содержит контрарную пару. Доказаны в третьем разделе. В этом модуле принимается без доказательства.
- GКорректность. Если , то , для всякого множества ; контрмодель доказывает, что вывода не существует. Устанавливается в: 2. Корректность.
- HКомпактность. Множество формул выполнимо тогда и только тогда, когда выполнимо всякое его конечное подмножество; откуда невыполнимое множество невыполнимо уже в некоторой конечной части. Устанавливается в: 11. Теорема компактности.
Участок 1 Корректность
- Проверять, что всякий частный случай схем общезначим, не строя его таблицы.
- Доказывать корректность сильной индукцией по числу строк, со случаем правила замены двойного отрицания.
- Доказывать с помощью контрмодели, что формула не выводится, и получать из корректности непротиворечивость.
Общезначимость аксиом. Всякий частный случай A1, A2 и A3 общезначим: оценка, которая бы его опровергала, требовала бы через ложную строку импликации невозможных значений.
Опирается на: E (Семантическое следование). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Корректность. Если , то , для всякого : сильной индукцией по числу строк, с одним случаем для аксиом, другим для посылок, семантическим modus ponens и, для правила ЗДО, эквивалентностью вместе с семантической заменой.
Использует: 1. Общезначимость аксиом. Опирается на: A (Индукция и рекурсия), B (Система курса), E (Семантическое следование). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Непротиворечивость и контрмодели. Всякое выполнимое множество непротиворечиво; система непротиворечива и ; если оценка выполняет и опровергает , то , и таблица удостоверяет, что то, что не общезначимо, не есть теорема.
Опирается на: G (Корректность), D (Оценки и совпадение). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Участок 2 Кальмар и конечная полнота
- Выводить в системе две леммы о стрелке Пирса, с правилом замены двойного отрицания там, где оно нужно.
- Доказывать лемму Кальмара индукцией по сложности, с единственным составным случаем.
- Устранять разбором случаев посылки строк и переносить конечные посылки с помощью двух теорем о дедукции.
- Решать по таблице вопросы о выводимости, доказуемой эквивалентности и непротиворечивости при конечных посылках.
Введение стрелки Пирса. и : конъюнкция отрицаний есть ; двойное отрицание снимает внешнее, а правило ЗДО два внутренних.
Опирается на: B (Система курса), C (Производные приёмы). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Отрицание стрелки Пирса. и , поскольку есть и достаточно введения дизъюнкции.
Опирается на: B (Система курса), C (Производные приёмы). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Лемма Кальмара. Если , то для всякой оценки ; шаг индукции имеет лишь один случай, , с тремя подслучаями в зависимости от значений и .
Использует: 4. Введение стрелки Пирса, 5. Отрицание стрелки Пирса. Опирается на: A (Индукция и рекурсия), D (Оценки и совпадение), B (Система курса). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Слабая полнота. Если , то : лемма Кальмара выводит из каждой строки, а разбор случаев устраняет литералы от последней переменной к первой, с применениями леммы и применениями разбора случаев.
Использует: 6. Лемма Кальмара. Опирается на: C (Производные приёмы). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Полнота для конечных посылок. : семантическая теорема о дедукции приводит к тавтологии, слабая полнота её выводит, а обращение теоремы о дедукции возвращает посылки.
Использует: 7. Слабая полнота. Опирается на: E (Семантическое следование), B (Система курса). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Конечное совпадение и разрешимость. Для конечного и ; откуда выводимость из конечных посылок разрешима с помощью таблицы.
Использует: 8. Полнота для конечных посылок. Опирается на: G (Корректность), D (Оценки и совпадение). Доказывается в уроке: Корректность и полнота.
Участок 3 Компактность и сильная полнота
- Доказывать компактность, фиксируя значения переменных одно за другим, с инвариантом хороших последовательностей и рассуждением о двух свидетелях.
- Переходить между формой выполнимости, формой невыполнимости и формой следования.
- Получать сильную полноту из компактности без порочного круга, а из неё совпадение непротиворечивости с выполнимостью.
- Кодировать множествами формул задачи о бесконечных объектах и решать их с помощью компактности.
Лемма о двух свидетелях. Если последовательность зафиксированных значений хорошая (всякое конечное подмножество множества выполняется оценкой, которая её продолжает), то хорошая или : если бы ни одна не была хорошей, объединение двух конечных свидетелей противоречило бы тому, что хорошая.
Опирается на: D (Оценки и совпадение). Доказывается в уроке: Теорема компактности.
Теорема компактности. выполнимо тогда и только тогда, когда выполнимо всякое конечное подмножество: полагается равным , если хорошая, и равным в противном случае, и получившаяся оценка выполняет каждую формулу по лемме о совпадении. Аксиома выбора не нужна, поскольку переменные занумерованы.
Использует: 10. Лемма о двух свидетелях. Опирается на: A (Индукция и рекурсия), D (Оценки и совпадение). Доказывается в уроке: Теорема компактности.
Эквивалентные формы. невыполнимо тогда и только тогда, когда невыполнима некоторая его конечная часть; тогда и только тогда, когда для некоторого конечного ; и эта последняя форма в свою очередь влечёт теорему.
Использует: 11. Теорема компактности. Опирается на: E (Семантическое следование). Доказывается в уроке: Теорема компактности.
Сильная полнота. Если , то , для всякого : форма следования даёт конечное , полнота для конечных посылок даёт , а монотонность .
Использует: 8. Полнота для конечных посылок, 12. Эквивалентные формы. Опирается на: B (Система курса). Доказывается в уроке: Теорема компактности.
Вывод есть следование. для всякого ; теоремы суть в точности тавтологии, и множество непротиворечиво тогда и только тогда, когда оно выполнимо.
Использует: 13. Сильная полнота. Опирается на: G (Корректность). Доказывается в уроке: Теорема компактности.
Раскраска счётных графов. С переменной для каждой вершины и каждого цвета и формулами, которые говорят, что у каждой вершины есть один и только один цвет и что соседние вершины различаются, счётный граф допускает раскраску в цветов, если её допускает каждый конечный подграф.
Опирается на: H (Компактность), F (Конъюнктивные формы). Доказывается в уроке: Теорема компактности.
Участок 4 Резолюция
- Представлять множество формул множеством дизъюнктов, через конъюнктивную или через определительную форму.
- Строить опровержения, не устраняя двух контрарных пар за один шаг.
- Доказывать корректность и полноту опровержения для резолюции, для конечных множеств и, с помощью компактности, для любых.
- Решать вопрос о следовании насыщением и распознавать случаи, которые решаются быстро.
Клаузальная форма. Дизъюнкт есть конечное множество литералов, выполненное, если какой-либо из них равен , и невыполним; клаузальная форма множества имеет те же модели, что и оно, и тогда и только тогда, когда клаузальная форма множества невыполнима.
Опирается на: F (Конъюнктивные формы), E (Семантическое следование). Доказывается в уроке: Метод резолюций.
Определительная клаузальная форма. С новой переменной для каждой подзаписи и её определяющими дизъюнктами равновыполнимо с и содержит не более дизъюнктов, каждый не более чем из трёх литералов; определительные формы решают вопрос о следовании из конечных посылок.
Использует: 16. Клаузальная форма. Опирается на: A (Индукция и рекурсия), D (Оценки и совпадение). Доказывается в уроке: Метод резолюций.
Корректность резолюции. , разбором случаев по значению ; сильной индукцией по порождению для всякого дизъюнкта , порождённого из , и если имеет опровержение, оно невыполнимо.
Использует: 16. Клаузальная форма. Опирается на: A (Индукция и рекурсия). Доказывается в уроке: Метод резолюций.
Исключение переменной. , которое сохраняет дизъюнкты без и без и добавляет резольвенты по , не содержит и равновыполнимо с ; из его модели получается модель множества выбором значения .
Использует: 18. Корректность резолюции. Опирается на: D (Оценки и совпадение). Доказывается в уроке: Метод резолюций.
Конечная полнота опровержения. Всякое конечное невыполнимое множество дизъюнктов имеет опровержение, по индукции по числу переменных: исключается последняя и вставляются посылки каждой резольвенты.
Использует: 19. Исключение переменной. Опирается на: A (Индукция и рекурсия). Доказывается в уроке: Метод резолюций.
Полнота опровержения. Множество дизъюнктов, конечное или бесконечное, невыполнимо тогда и только тогда, когда оно имеет опровержение; откуда тогда и только тогда, когда клаузальная форма множества имеет опровержение.
Использует: 16. Клаузальная форма, 18. Корректность резолюции, 20. Конечная полнота опровержения. Опирается на: H (Компактность). Доказывается в уроке: Метод резолюций.
Насыщение решает. При переменных множество порождённых дизъюнктов содержит не более элементов; насыщение завершается и решает вопрос о выполнимости без таблиц, хотя и не всегда быстрее, чем они.
Использует: 18. Корректность резолюции, 20. Конечная полнота опровержения. Доказывается в уроке: Метод резолюций.
Конец курса. Цепь заканчивается там, где две стороны курса признаются одним и тем же отношением и где имеется метод, чтобы его решать. То, что остаётся открытым, есть уже вопрос не о логике высказываний, а о её стоимости и о её распространении на кванторы.
Загрузка содержимого…