摘要 本课以两族全部数学都在使用的等价式结束演绎单元:德摩根律,它说明否定如何穿过合取或析取;分配律,它说明合取如何对析取分配,析取如何对合取分配。在证明它们之前,先澄清它们所依赖的一个区别:指称同一个符号串的两个表达式可以直接互相代替,因为它们是同一个公式;而仅仅等价的两个公式,只能借助等价替换,一层一层地在另一个公式内部互相代替。有了这一谨慎,就用推演证明两条德摩根律、它们的变体(其中包括蕴涵的否定)以及两条分配律,每条都证两个方向。问题利用它们得到幂等律、吸收律和结合律、简单的范式,以及把德摩根律与逆否律结合起来的推演。
学习目标 区分符号串的恒等与可证等价:前者允许在任何位置把缩写换成它的展开式,后者只允许借助等价替换在公式内部进行替换;并在推演中把等价连成链。 用推演证明两条德摩根律及其变体(包括蕴涵的否定),并认识双重否定替换规则在其中的作用。 在两个方向上证明合取对析取的分配律和析取对合取的分配律,每次选择合适的分情况证明。 通过逐步给出依据的等价链把公式化为简单的范式,并用推演得到幂等律、吸收律和结合律。 构造带前提的推演,把德摩根律与逆否律以及联结词的引入和消去规则结合起来。 本单元前面的几课一课接一课地建立了推演的工具:公理系统和分离规则,四种基本技巧和双重否定替换,联结词的对称性和经典逻辑的技巧。本课不添加任何新规则;它让这些规则一起工作。若是如此,本课的意义与其说在于那些陈述(它们也许在别的课程中已经见过),不如说在于得到它们的方式:每一行都必须以公理、前提、定义、两条初始规则之一或一个已证明的结果为依据,任何一行都不能依赖于“看起来显然”的东西。
所用的工具及其衔接 从关于形式演绎系统 的一课中,取来卢卡西维茨的公理 A1、A2 和 A3,分离规则(MP),也包括带前提的形式,自反性(自反:若 φ ∈ Γ \varphi \in \Gamma φ ∈ Γ ,则 Γ ⊢ φ \Gamma \vdash \varphi Γ ⊢ φ ),单调性(单调),切割规则(切割:若 Γ ⊢ φ i \Gamma \vdash \varphi_i Γ ⊢ φ i 对每个 i i i 成立,且 Γ ∪ { φ 1 , … , φ n } ⊢ ψ \Gamma \cup \{\varphi_1, \ldots, \varphi_n\} \vdash \psi Γ ∪ { φ 1 , … , φ n } ⊢ ψ ,则 Γ ⊢ ψ \Gamma \vdash \psi Γ ⊢ ψ ),演绎定理,以及可证等价(φ ⊣ ⊢ ψ \varphi \dashv\vdash \psi φ ⊣⊢ ψ 的意思是 { φ } ⊢ ψ \{\varphi\} \vdash \psi { φ } ⊢ ψ 且 { ψ } ⊢ φ \{\psi\} \vdash \varphi { ψ } ⊢ φ )及其性质:它是自反的、对称的和传递的,并且若 φ ⊣ ⊢ ψ \varphi \dashv\vdash \psi φ ⊣⊢ ψ ,则 Γ ⊢ φ \Gamma \vdash \varphi Γ ⊢ φ 当且仅当 Γ ⊢ ψ \Gamma \vdash \psi Γ ⊢ ψ 。从关于四种推演技巧 的一课中,取来双重否定(φ ⊣ ⊢ ¬ ¬ φ \varphi \dashv\vdash \neg\neg\varphi φ ⊣⊢ ¬¬ φ )、逆否律(逆否),特别是 ( φ → ψ ) ⊣ ⊢ ( ¬ ψ → ¬ φ ) (\varphi \rightarrow \psi) \dashv\vdash (\neg\psi \rightarrow \neg\varphi) ( φ → ψ ) ⊣⊢ ( ¬ ψ → ¬ φ ) ,以及本课程系统的第二条初始规则,即双重否定替换(双否替换),有了它,演绎定理依然成立:若 χ ′ \chi' χ ′ 是把 χ \chi χ 中子公式 θ \theta θ 的一次出现替换为 ¬ ¬ θ \neg\neg\theta ¬¬ θ ,或把 ¬ ¬ θ \neg\neg\theta ¬¬ θ 的一次出现替换为 θ \theta θ 而得到的,则由 χ \chi χ 可推出 χ ′ \chi' χ ′ ;由第 i i i 行这样得到的行,以双否替换( i ) (i) ( i ) 为依据。它的直接推论包括 ( φ ↓ ψ ) ⊣ ⊢ ( ¬ ¬ φ ↓ ψ ) (\varphi \downarrow \psi) \dashv\vdash (\neg\neg\varphi \downarrow \psi) ( φ ↓ ψ ) ⊣⊢ ( ¬¬ φ ↓ ψ ) 、( φ ↓ ψ ) ⊣ ⊢ ( φ ↓ ¬ ¬ ψ ) (\varphi \downarrow \psi) \dashv\vdash (\varphi \downarrow \neg\neg\psi) ( φ ↓ ψ ) ⊣⊢ ( φ ↓ ¬¬ ψ ) ,以及一般地 χ ⊣ ⊢ χ ′ \chi \dashv\vdash \chi' χ ⊣⊢ χ ′ (只要 χ ′ \chi' χ ′ 由 χ \chi χ 经双否替换得到);由此可知,双否替换( i ) (i) ( i ) 也适用于形如 χ ⊣ ⊢ φ \chi \dashv\vdash \varphi χ ⊣⊢ φ 的行,用来改变 φ \varphi φ 中的一个双重否定。从关于联结词的对称性 的一课中,取来等价替换和对称性(对称),其中包括 ( φ ∨ ψ ) ⊣ ⊢ ( ψ ∨ φ ) (\varphi \vee \psi) \dashv\vdash (\psi \vee \varphi) ( φ ∨ ψ ) ⊣⊢ ( ψ ∨ φ ) 和 ( φ ∧ ψ ) ⊣ ⊢ ( ψ ∧ φ ) (\varphi \wedge \psi) \dashv\vdash (\psi \wedge \varphi) ( φ ∧ ψ ) ⊣⊢ ( ψ ∧ φ ) 。
从关于经典逻辑的技巧 的一课中,取来下列规则,它们都带有前提集 Γ \Gamma Γ 。析取引入(∨ \vee ∨ 引入):若 Γ ⊢ φ \Gamma \vdash \varphi Γ ⊢ φ ,则 Γ ⊢ ( φ ∨ ψ ) \Gamma \vdash (\varphi \vee \psi) Γ ⊢ ( φ ∨ ψ ) 且 Γ ⊢ ( ψ ∨ φ ) \Gamma \vdash (\psi \vee \varphi) Γ ⊢ ( ψ ∨ φ ) 。析取消去(∨ \vee ∨ 消去,即析取三段论):若 Γ ⊢ ( φ ∨ ψ ) \Gamma \vdash (\varphi \vee \psi) Γ ⊢ ( φ ∨ ψ ) 且 Γ ⊢ ¬ φ \Gamma \vdash \neg\varphi Γ ⊢ ¬ φ ,则 Γ ⊢ ψ \Gamma \vdash \psi Γ ⊢ ψ 。合取引入(∧ \wedge ∧ 引入):若 Γ ⊢ φ \Gamma \vdash \varphi Γ ⊢ φ 且 Γ ⊢ ψ \Gamma \vdash \psi Γ ⊢ ψ ,则 Γ ⊢ ( φ ∧ ψ ) \Gamma \vdash (\varphi \wedge \psi) Γ ⊢ ( φ ∧ ψ ) 。合取消去(∧ \wedge ∧ 消去):若 Γ ⊢ ( φ ∧ ψ ) \Gamma \vdash (\varphi \wedge \psi) Γ ⊢ ( φ ∧ ψ ) ,则 Γ ⊢ φ \Gamma \vdash \varphi Γ ⊢ φ 且 Γ ⊢ ψ \Gamma \vdash \psi Γ ⊢ ψ 。排中律:⊢ ( φ ∨ ¬ φ ) \vdash (\varphi \vee \neg\varphi) ⊢ ( φ ∨ ¬ φ ) 。还有分情况证明(分情况)的两种形式:若 Γ ∪ { φ } ⊢ χ \Gamma \cup \{\varphi\} \vdash \chi Γ ∪ { φ } ⊢ χ 且 Γ ∪ { ¬ φ } ⊢ χ \Gamma \cup \{\neg\varphi\} \vdash \chi Γ ∪ { ¬ φ } ⊢ χ ,则 Γ ⊢ χ \Gamma \vdash \chi Γ ⊢ χ ;若 Γ ∪ { φ } ⊢ χ \Gamma \cup \{\varphi\} \vdash \chi Γ ∪ { φ } ⊢ χ 、Γ ∪ { ψ } ⊢ χ \Gamma \cup \{\psi\} \vdash \chi Γ ∪ { ψ } ⊢ χ 且 Γ ⊢ ( φ ∨ ψ ) \Gamma \vdash (\varphi \vee \psi) Γ ⊢ ( φ ∨ ψ ) ,则 Γ ⊢ χ \Gamma \vdash \chi Γ ⊢ χ 。在推演中,第一种形式引用两行,记作分情况( i , j ) (i, j) ( i , j ) ,第二种引用三行,记作分情况( i , j , k ) (i, j, k) ( i , j , k ) ,次序与陈述一致:先是两个情况,最后是析取。那一课还提醒,每条已证明的规则在语境 Γ \Gamma Γ 之内都成立,这里正是这样使用双重否定和逆否律的。
符号串的名字与等价的公式 回忆关于命题逻辑的语言 的一课:除 ↓ \downarrow ↓ 之外的联结词都是缩写,有正式且唯一的定义:¬ φ : = ( φ ↓ φ ) \neg\varphi := (\varphi \downarrow \varphi) ¬ φ := ( φ ↓ φ ) 、( φ ∨ ψ ) : = ¬ ( φ ↓ ψ ) (\varphi \vee \psi) := \neg(\varphi \downarrow \psi) ( φ ∨ ψ ) := ¬ ( φ ↓ ψ ) 、( φ ∧ ψ ) : = ¬ ( ¬ φ ∨ ¬ ψ ) (\varphi \wedge \psi) := \neg(\neg\varphi \vee \neg\psi) ( φ ∧ ψ ) := ¬ ( ¬ φ ∨ ¬ ψ ) 、( φ → ψ ) : = ( ¬ φ ∨ ψ ) (\varphi \rightarrow \psi) := (\neg\varphi \vee \psi) ( φ → ψ ) := ( ¬ φ ∨ ψ ) 、( φ ↔ ψ ) : = ( ( φ → ψ ) ∧ ( ψ → φ ) ) (\varphi \leftrightarrow \psi) := ((\varphi \rightarrow \psi) \wedge (\psi \rightarrow \varphi)) ( φ ↔ ψ ) := (( φ → ψ ) ∧ ( ψ → φ )) 和 ( φ ⊻ ψ ) : = ¬ ( φ ↔ ψ ) (\varphi \veebar \psi) := \neg(\varphi \leftrightarrow \psi) ( φ ⊻ ψ ) := ¬ ( φ ↔ ψ ) 。定义并不对公式作出任何断言:它只是给一个已经存在的符号串取第二个名字。由此可知,如果两个表达式指称同一个符号串,那么一个可以在任何地方代替另一个,在更大的公式内部也是如此,因为写下的是同一串圆圈与圆盘。因此,¬ ( φ ∧ ψ ) \neg(\varphi \wedge \psi) ¬ ( φ ∧ ψ ) 和 ¬ ¬ ( ¬ φ ∨ ¬ ψ ) \neg\neg(\neg\varphi \vee \neg\psi) ¬¬ ( ¬ φ ∨ ¬ ψ ) 是同一个符号串:后者是在前者内部写出合取的展开式而得到的。在推演中,这种改名以“定义”为依据,后面写上被展开或被收回的联结词。
然而,可证等价不是恒等。φ ⊣ ⊢ ¬ ¬ φ \varphi \dashv\vdash \neg\neg\varphi φ ⊣⊢ ¬¬ φ 的意思是每一个都可由另一个推出,而不是它们是同一个符号串:¬ ¬ φ \neg\neg\varphi ¬¬ φ 比 φ \varphi φ 长得多。因此,知道 φ ⊣ ⊢ φ ′ \varphi \dashv\vdash \varphi' φ ⊣⊢ φ ′ 并不能直接允许在更大的公式中把 φ ′ \varphi' φ ′ 写在 φ \varphi φ 的位置上。它也不允许“两边同时取否定”:由 φ ⊣ ⊢ φ ′ \varphi \dashv\vdash \varphi' φ ⊣⊢ φ ′ 得出 ¬ φ ⊣ ⊢ ¬ φ ′ \neg\varphi \dashv\vdash \neg\varphi' ¬ φ ⊣⊢ ¬ φ ′ 是一个定理,即等价替换,它的证明要用到逆否律,而不是一个显然的操作。只有一种情况,系统直接允许在公式的任何位置进行替换:把 θ \theta θ 换成 ¬ ¬ θ \neg\neg\theta ¬¬ θ ,或者反过来,这就是双重否定替换规则;而关于演绎系统的一课借助标记表明,就连这种情况也不能由公理和分离规则推出,因此必须把它作为公设。这种谨慎并非迂腐;正是它把证明与符号摆弄区分开来,后者若用于别的联结词或别的系统,可能导致谬误。
两个结果精确地规定了什么是允许的。第一个是关于形式演绎系统 的一课中关于可证等价之性质的命题:若 Γ ⊢ φ \Gamma \vdash \varphi Γ ⊢ φ 且 φ ⊣ ⊢ φ ′ \varphi \dashv\vdash \varphi' φ ⊣⊢ φ ′ ,则 Γ ⊢ φ ′ \Gamma \vdash \varphi' Γ ⊢ φ ′ ,因此可证等价可以作用于一行的整个公式;而且可证等价是自反的、对称的和传递的,因此等价可以连成链(若 χ ⊣ ⊢ φ \chi \dashv\vdash \varphi χ ⊣⊢ φ 且 φ ⊣ ⊢ φ ′ \varphi \dashv\vdash \varphi' φ ⊣⊢ φ ′ ,则 χ ⊣ ⊢ φ ′ \chi \dashv\vdash \varphi' χ ⊣⊢ φ ′ ),而指称同一个符号串的两个表达式,由自反性,是可证等价的。第二个是下面的引理,为了引用方便,它汇集了等价替换向析取与合取的推广;关于对称性的一课对否定、蕴涵和或非证明了等价替换,并在它的一道例题中把它推广到这两个联结词。
若 φ ⊣ ⊢ φ ′ \varphi \dashv\vdash \varphi' φ ⊣⊢ φ ′ ,则对每个公式 ψ \psi ψ ,都有 ( φ ∨ ψ ) ⊣ ⊢ ( φ ′ ∨ ψ ) (\varphi \vee \psi) \dashv\vdash (\varphi' \vee \psi) ( φ ∨ ψ ) ⊣⊢ ( φ ′ ∨ ψ ) 、( ψ ∨ φ ) ⊣ ⊢ ( ψ ∨ φ ′ ) (\psi \vee \varphi) \dashv\vdash (\psi \vee \varphi') ( ψ ∨ φ ) ⊣⊢ ( ψ ∨ φ ′ ) 、( φ ∧ ψ ) ⊣ ⊢ ( φ ′ ∧ ψ ) (\varphi \wedge \psi) \dashv\vdash (\varphi' \wedge \psi) ( φ ∧ ψ ) ⊣⊢ ( φ ′ ∧ ψ ) 和 ( ψ ∧ φ ) ⊣ ⊢ ( ψ ∧ φ ′ ) (\psi \wedge \varphi) \dashv\vdash (\psi \wedge \varphi') ( ψ ∧ φ ) ⊣⊢ ( ψ ∧ φ ′ ) 。
证明
1 2 3 关于否定的等价替换把它带到外层,即 ¬ ( φ ↓ ψ ) ⊣ ⊢ ¬ ( φ ′ ↓ ψ ) \neg(\varphi \downarrow \psi) \dashv\vdash \neg(\varphi' \downarrow \psi) ¬ ( φ ↓ ψ ) ⊣⊢ ¬ ( φ ′ ↓ ψ ) ,这就是析取。同样,由 ( ψ ↓ φ ) ⊣ ⊢ ( ψ ↓ φ ′ ) (\psi \downarrow \varphi) \dashv\vdash (\psi \downarrow \varphi') ( ψ ↓ φ ) ⊣⊢ ( ψ ↓ φ ′ ) 可得右侧的替换。
4 合取是否定式的析取的否定。关于否定的替换先给出 ¬ φ ⊣ ⊢ ¬ φ ′ \neg\varphi \dashv\vdash \neg\varphi' ¬ φ ⊣⊢ ¬ φ ′ 。
5 已对析取证明的部分,应用于 ¬ φ \neg\varphi ¬ φ 和 ¬ φ ′ \neg\varphi' ¬ φ ′ ,给出 ( ¬ φ ∨ ¬ ψ ) ⊣ ⊢ ( ¬ φ ′ ∨ ¬ ψ ) (\neg\varphi \vee \neg\psi) \dashv\vdash (\neg\varphi' \vee \neg\psi) ( ¬ φ ∨ ¬ ψ ) ⊣⊢ ( ¬ φ ′ ∨ ¬ ψ ) ,再用关于否定的替换把等价带到合取上;右侧同理。
此后,“等价替换”指任何形式的等价替换,也包括这条引理中的形式,并且可以一层一层地连续使用多次,以到达任意深度的子公式。当一行是由第 i i i 行应用一个已证明的等价而得到的,无论作用于整个公式,还是借助等价替换作用于它的某个部分,都以该等价的名称和行号为依据:双重否定( i ) (i) ( i ) 、“等价替换,德摩根( i ) (i) ( i ) ”。改名并不应用任何等价,只是重写同一个符号串;它也以同样的方式给出依据,即以“定义”为依据,后面写上被展开或被收回的联结词:定义 ∧ \wedge ∧ ( i ) (i) ( i ) 。关于形式演绎系统的一课中的那个命题保证这样的行是有依据的,无论第 i i i 行断言的是 Γ ⊢ φ \Gamma \vdash \varphi Γ ⊢ φ ,还是一个逐步延伸的等价 χ ⊣ ⊢ φ \chi \dashv\vdash \varphi χ ⊣⊢ φ 。
本课节其余部分
德摩根律 分配律 例题 幂等律 吸收律 析取的结合律 带析取的拒取式 同一个公式的两种范式 练习题 从逆否律到析取三段论 分配蕴涵 合并律 不相容析取的析取范式 由对偶性得到合取的结合律 使用免费账户继续阅读
创建免费账户后,您可以阅读本课节全文和每门课程的前几个课节,并保存您的进度。
获取完整课程
本课节的其余部分属于订阅内容。 订阅后,您可以学习每门课程的全部课节,附带习题与证明。
获取完整课程
本课节的其余部分属于订阅内容。 订阅后,您可以学习每门课程的全部课节,附带习题与证明。
每月 US$19.00 或每年 US$149.00
正在加载内容…