摘要
本课开启课程的第二个单元,这一单元专讲演绎。本课介绍单元的五节课以及把它们串联起来的线索,从形式演绎系统的定义,直到德摩根律与分配律;把本单元放到课程的路线中,位于已经建成的语言与随后到来的语义学和元理论之间,并预先说明后两者将对它说些什么;说明为什么选择公理系统,这个系统分两个阶段建造(卢卡西维茨系统,有三个公理模式和分离规则;本课程的系统,在它之上增加双重否定替换规则),并解释为什么需要这第二条规则、为什么把它作为公设而不是加以证明;用一个简短的推演展示一个初等的推理隐藏着多少工作;指明从上一单元所取用的东西,即唯一可读性、归纳法(自然数上的强归纳法与结构归纳法)和缩写的展开;最后给出学习本单元的建议。
学习目标
- 描述本单元五节课的先后次序,并说明每一节课用到前一节课的哪些结果。
- 把演绎放到课程的路线中,区分可推演性 与语义后承 ,并说明可靠性与完备性将断言什么。
- 从三个模式在或非中能看到什么、不能看到什么出发,说明为什么本课程的系统要在卢卡西维茨系统之上增加第二条初始规则,即双重否定替换。
- 按编号行阅读一个简短的推演,区分公式的推演与关于推演的推演,认出本单元从上一单元取用的东西,并从入门测评出发安排本单元的学习。
入门测评
在学习本单元之前,先测一测自己的起点是有益的。这份测评是自我测评:不计分,唯一的目的是为学习指引方向。它的十三道题分为两类。前三道涉及本单元假定已从上一单元学到的东西:唯一可读性、强归纳法和缩写的展开;答错其中任何一道的人,在继续之前应当复习题目所指出的那节课。其余十道按顺序对应本单元的五节课:第一课三道,第二课三道,第三课两道,第四课一道,第五课一道。从未学过演绎系统的人不必指望答对,这也无关紧要:每个答案,无论对错,都会解释要点,并指出讲解这一要点的那节课。同样的技能会在单元末尾的总结课中再次测量。
开始本单元之前,先测一测你的起点。这是一次简短的自我测评:不计分,结果只保存在你的浏览器中。
第 1 题来自前面的单元符号串 是一个复合公式,形如 。它的成分 和 分别是什么?
不是公式:一个联结圆盘要求后面跟着两个公式,而这里跟在它后面的只有变元 ;它的累积权重是 ,而不是 。剩下的部分,即两个相继的变元,也不是公式。唯一可读性定理排除了这种可能:如果 ,并且四个成分都是公式,那么 且 。在别处切开,至少会留下一个不是公式的部分。复合公式有两个成分,而空串不是公式。此外,首个圆盘之后的符号串含有三个变元而只有一个联结圆盘,而每个公式的变元恰好比联结圆盘多一个。在首个圆盘之后,各个词的权重逐步累积:联结圆盘减去 ,变元 和 各加上 ;累积权重首次达到 ,是在 结束之时, 就在那里结束。该公式是 ,由唯一可读性,它不容许别的分解:正是这一点,使我们在应用分离规则时能够无歧义地辨认蕴涵的前件和后件。复习: 自然数上与公式上的归纳法
第 2 题来自前面的单元在用强归纳法证明每个自然数 都具有性质 时,证明 的时候可以假设什么?
这是简单归纳的假设。当情形 只依赖于前一个情形时,它就够了;当它依赖于任意较小的情形时,例如推演各行中的分离规则,就必须假设所有这些情形。这包括了 ,而那正是要证明的东西:假设它会使论证循环。强归纳法没有单独的基始:基始已包含在其中,因为当 时没有更小的自然数,假设什么也不提供。只有当论证用到例如 时,最初几个情形才必须单独处理。这是强归纳法的假设。本单元用它来证明演绎定理:推演的最后一行可以由前面任意两行通过分离规则得到,不一定是紧挨着的前一行,而假设必须覆盖这两行。复习: 自然数上与公式上的归纳法
第 3 题来自前面的单元按照本课程的正式缩写, 用或非和否定写出来,是哪个公式?
缺少外层的否定:析取是或非的否定,而不是或非本身,后者读作“既非……也非……”。那是析取 :在蕴涵中,内层的否定落在前件上,而不是落在后件上。每个缩写只定义一次,只表示一个符号串,这个符号串由展开确定。真正发生的是相反的情形:同一个符号串可以有好几个名称。蕴涵是 的缩写,而析取是一个或非的否定的缩写;由此得 。本单元每当需要知道两个表达式是否表示同一个公式时,就这样展开缩写。复习: 命题逻辑的语言
第 4 题模式 A1 是 。公式 是 A1 的实例吗?
这个代入给出 ,而不是所给的公式: 的最后一次出现也必须是 。外形是不够的:此外,这个模式还要求最后一个成分重复第一个成分。元变元处可以代入任意公式,变元也包括在内: 是 A1 的实例。实例对每个元变元作统一的代入: 的所有出现处都代入同一个公式。不同的元变元可以得到同一个公式,但同一个元变元不能得到两个公式。复习: 形式演绎系统
第 5 题在一个推演中已经有行 和 ,其中 和 是不同的公式。对这两行应用分离规则,可以写出哪个公式?
从后件过渡到前件是肯定后件的谬误,而不是分离规则。第一课借助一种由公理和分离规则保持的标记证明: 无论如何都不能由 推出。这是所写蕴涵的逆,没有任何规则能由所写的蕴涵得出它:蕴涵不能倒转。两行中没有任何东西谈到 的否定;分离规则只是分离出一个前件已经写出的蕴涵的后件。由 和 得到 ;这里 已经写出,而分离规则不允许沿着蕴涵倒推回去。复习: 形式演绎系统
第 6 题已知 ,即存在一个 的推演,其唯一的前提是 。那么演绎定理断言什么?
删去前提会改变所断言的内容:由前提 可推出 ,而 不是定理。前提并不消失;它变成前件。它把方向颠倒了:被解除的前提是前件,结论是后件。推演不能倒着走:由前提 ,借助 A1 和分离规则,可推出 (对任意 ),而由这个蕴涵恢复不出 。演绎定理解除一个前提,把它变成前件:若 ,则 ;这里 是空集。它通过对行数的强归纳法来证明。复习: 形式演绎系统
第 7 题不添加其他前提,由集合 可推出什么?
分离规则需要已写出的前件 ,而 不是前提:由两个蕴涵得到的是另一个蕴涵,而不是一个单独的公式。它按相反的方向串联:前提从 走到 ,从 走到 ,而这条链不能倒着走。它会断言 和 都成立,而前提对二者都没有断言:它们只说,若 成立或若 成立,会得出什么。这是假言三段论:蕴涵可以串联起来。它用 A1、A2 和分离规则在七行内推出,而该课把它变成在任意前提集下都适用的规则。复习: 四种推演技巧
第 8 题双重否定替换规则(双否替换)在一行中只改变子公式的一次出现,并且作用于基础语言的符号串。子公式 在 所表示的符号串中出现几次?
这是把缩写当作显示了整个符号串来读。箭头隐藏了外层的否定 ,它把自己的运算对象写了两遍。蕴涵是 的缩写; 的否定就在符号串中,尽管箭头没有显示它,而这条规则作用于符号串。四份副本是一个运算对象在两个相继的否定之下才会有的,如 ;这里只有一个外层否定,它只把运算对象复制一次。按照正式定义, 是 ,即 :外层的否定把它的运算对象复制了一份。由此可知,要在前件前面加上双重否定,就需要应用这条规则两次,每份副本一次;第二课在推广演绎定理时用到了这一点。复习: 四种推演技巧
第 9 题由 通过逆否律,不添加双重否定,得到哪个公式?
这是它的逆:它颠倒方向而不改变符号,一般不能由所给的公式推出。它改变符号而不颠倒方向;一般也不能由所给的公式推出。它混淆了两种操作:在移动时否定了 ,却让 保持原样。逆否律的第一种形式会给出 ,多一个否定。这是逆否律的第二种形式:两个成员交换位置,每个成员在移过去时改变符号; 失去它的否定, 获得否定。这两个公式是可证等价的。复习: 四种推演技巧
第 10 题 与 表示同一个公式吗?
定义说的是 是 ,而不是 。把二者混为一谈,正是本单元所避免的错误:在别的教材中这是定义;在本课程中这是一个结果。汉语中的读法不能决定两个符号串是否恒等:这要通过展开缩写来决定,而这两个符号串长度不同。它们是可证等价的:第三课用两次双否替换规则证明了这一点,不需要别的工具。展开前件为 的蕴涵时,在或非的第一个位置上出现 。从一个公式过渡到另一个,需要在或非内部去掉或加上这个双重否定,而这正是双否替换规则所允许的;由于外层否定把它的运算对象复制一份,这条规则要应用两次,每份副本一次。复习: 联结词的对称性
第 11 题已知 ,即二者可以互相推出。是什么保证了也有 ?
两边同时否定不是系统的规则;系统仅有的规则是分离规则和双重否定替换,后者只是把子公式 与 互换。这一操作是合法的,这是一条定理,必须加以证明。定义说明了 是哪个符号串,却没有把 和 联系起来:两个等价的公式不是同一个符号串,它们的否定也不是。这是成立的,而且本单元证明了它;更进一步,一个公式可以在任意公式的任意位置被替换为与之等价的另一个公式。由 得到 ;逆否律给出 ,而演绎定理的逆给出 ;另一个方向同理。对于或非,还需要基本引理。复习: 联结词的对称性
第 12 题由前提集 推出了一个公式 及其否定 。可以得出什么结论?
它混淆了假设与结论:矛盾驳倒了假设 ,因此得出的结论是 。那需要一个仅由 推出的矛盾。这里矛盾是由 推出的,可能归因于添加的假设;由 确实可以推出任何公式,根据爆炸原理。恰恰相反:一个假设导致矛盾,就使我们可以拒绝它。这就是归谬推理,它存在于整个数学之中。这是经典形式的归谬法:如果假设 连同 导致矛盾,那么 可由 推出。第四课用爆炸原理、演绎定理、A3 和定理 证明它。复习: 经典逻辑的技巧
第 13 题蕴涵的否定 等价于哪个公式?
它否定了每个成员,却没有触动联结词。蕴涵的否定不是另一个蕴涵:“如果下雨,街道就会湿”的否定不是“如果不下雨,街道就不会湿”,而是“下雨了,而街道没有湿”。它只否定了后件。如果 不成立,那么 和 都成立,而一个公式不能与它的否定同时成立。它把角色调换了:蕴涵在前件成立而后件不成立时不成立,而不是反过来。否定“如果 ,那么 ”,就是断言 成立而 不成立。第五课把它作为德摩根律的一个变体来证明: 是 ;德摩根律给出 ,而双重否定连同等价替换给出 。复习: 德摩根律与分配律
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