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Mathematic Logics

First Order Logic (FOL)

2019-04-01Original-language archivelegacy assets may be incomplete

语言

  • 字母表
    • 逻辑符集合
      • 变元集 VV
      • 联结词、辅助词、(等词)
      • 量词 ,\forall,\exists
    • 非逻辑符集合 L\mathscr{L}
      • 常元集合 Lc\mathscr{L}_c
      • 函数集合 Lf\mathscr{L}_f, μ(f)>0\mu(f)>0ff 的元数
      • 谓词集合 LP\mathscr{L}_P, μ(P)0\mu(P)\geq0ff 的元数
  • TT:变元符 \cup 常元符 f(v1,)\cup f(v_1,\cdots)
    • 自由变元
      • FV(x)={x}\text{\text{FV}}(x)=\{x\}, FV(c)={}\text{\text{FV}}(c)=\{\}
      • FV(f(t1,))=i=1nFV(ti)\text{\text{FV}}(f(t_1,\cdots))=\bigcup_{i=1}^n\text{\text{FV}}(t_i)
    • 闭项:FV(t)=\text{\text{FV}}(t)=\emptyset
    • 替换:s[tx]s[\frac{t}{x}]
  • 公式 Ψ\Psi{t1t2}\{t_1\doteq t_2\} \cup P(t1,)P(t_1,\cdots) \cup 公式在联结词、量词下的组合
    • 自由变元
      • FV(t1t2)=FV(t1)FVt2\text{\text{FV}}(t_1\doteq t_2)=\text{\text{FV}}(t_1)\cup\text{\text{FV}}t_2
      • FV(P(t1,))=i=1nFV(ti)\text{\text{FV}}(P(t_1,\cdots))=\bigcup_{i=1}^n\text{\text{FV}}(t_i)
      • 联结词取并
      • FV(Qx.A)=FV(A)\{x}\text{\text{FV}}(Qx.A)=\text{FV}(A)\backslash\{x\}
    • 句子:FV(A)=\text{\text{FV}}(A)=\emptyset
    • 替换:A[tx]A[\frac{t}{x}]
      • (Qx.A)[tx]=Qx.A(Qx.A)[\frac{t}{x}]=Qx.A
      • (Qy.A)[tx]=Qy.(A[tx]),y∉FV(t)(Qy.A)[\frac{t}{x}]=Qy.(A[\frac{t}{x}]),y\not\in\text{\text{FV}}(t)
      • (Qy.A)[tx]=Qz.(A[zy][tx]),yFV(t)(Qy.A)[\frac{t}{x}]=Qz.(A[\frac{z}{y}][\frac{t}{x}]),y\in\text{\text{FV}}(t)

Godel 编码

  • a0,,an=i=0nPiai\langle a_0,\cdots,a_n\rangle=\prod_{i=0}^nP_i^{a_i}
  • ep:N2N\text{ep}:\mathbb{N}^2\rightarrow\mathbb{N}xx 的素因子分解式中 PnP_n 的幂次
  • Godel 编码: #()\#()
    • Godel 编码与一阶语言中所有元素一一对应

语义

  • 结构:M=(M,I)\mathbb{M}=(M,I)L\mathscr{L} 做解释
    • 论域 MM 为非空集
    • II 为定义域为 L\mathscr{L} 的映射
      • cLc,cM=I(c)Mc\in\mathscr{L}_c,c_{\mathbb{M}}=I(c)\in M
      • fLf,fM=I(f):MnMf\in\mathscr{L}_f,f_{\mathbb{M}}=I(f):M^n\rightarrow M
      • PLp,μ(P)>0,PM=I(P)MnP\in\mathscr{L}_p,\mu(P)>0,P_{\mathbb{M}}=I(P)\subseteq M^n
      • PLp,μ(P)=0,I(P)B={T,F}P\in\mathscr{L}_p,\mu(P)=0,I(P)\in B=\{T,F\}
  • 模型: (M,σ)(\mathbb{M},\sigma) 是对一阶语言的解释
    • σ:VM\sigma:V\rightarrow M 为赋值
  • 解释
    • 项:tM[σ]Mt_{\mathbb{M}[\sigma]}\in M
      • xM[σ]=σ(x)x_{\mathbb{M}[\sigma]}=\sigma(x)
      • cM[σ]=cMc_{\mathbb{M}[\sigma]}=c_M
      • (f(t1,))M[σ]=fM((t1)M[σ],)(f(t_1,\cdots))_{\mathbb{M}[\sigma]}=f_M((t_1)_{\mathbb{M}[\sigma]},\cdots)
    • 公式:AM[σ]{T,F}A_{\mathbb{M}[\sigma]}\in\{T,F\} (排中律)
      • 联结词:同 PL
      • (P(t1,))M[σ]=T    (t1)M[σ],,PM(P(t_1,\cdots))_{\mathbb{M}[\sigma]}=T\iff \langle (t_1)_{\mathbb{M}[\sigma]},\cdots,\rangle\in P_\mathbb{M}
      • (t1t2)M[σ]=T    (t1)M[σ]=(t2)M[σ](t_1\doteq t_2)_{\mathbb{M}[\sigma]}=T\iff (t_1)_{\mathbb{M}[\sigma]}=(t_2)_{\mathbb{M}[\sigma]}
      • (x.A)M[σ]=T    (\forall x.A)_{\mathbb{M}[\sigma]}=T\iff 对所有aM,AM[σ[x:=a]]=Ta\in M,A_\mathbb{M}[\sigma[x:=a]]=T
      • (x.A)M[σ]=T    (\exists x.A)_{\mathbb{M}[\sigma]}=T\iff 对某个aM,AM[σ[x:=a]]=Ta\in M,A_\mathbb{M}[\sigma[x:=a]]=T
        • (σ[xi:=a])(xj)=a(\sigma[x_i:=a])(x_j)=a if i=ji=j else σ(xj)\sigma(x_j)
  • 满足:\vDash
    • MσA    AM[σ]=T\mathbb{M}\vDash_\sigma A\iff A_{\mathbb{\mathbb{M}}[\sigma]}=T
    • AA 可满足: 存在 (M,σ)(\mathbb{M},\sigma) 使得 MσA\mathbb{M}\vDash_\sigma A
    • MσΓ    AΓ,MσA\mathbb{M}\vDash_\sigma \Gamma\iff\forall A\in\Gamma,\mathbb{M}\vDash_\sigma A
    • MA    σ,MσA\mathbb{M}\vDash A\iff \forall \sigma,\mathbb{M}\vDash_\sigma A
    • A\vDash A
    • Γ\vDash \Gamma
    • ΓA    (M,σ),MσΓ,\Gamma\vDash A\iff \forall (\mathbb{M},\sigma), \mathbb{M}\vDash_\sigma\Gamma,MσA\mathbb{M}\vDash_\sigma A
    • ΓA    Γ{¬A}\Gamma\vDash A\iff\Gamma\cup\{\neg A\} 不可满足

替换引理

  • (t[sx])M[σ]=tM[σ[x:=sM[σ]]](t[\frac{s}{x}])_{\mathbb{M}[\sigma]}=t_{M[\sigma[x:=s_{\mathbb{M}[\sigma]}]]}
  • (A[tx])M[σ]=AM[σ[x:=tM[σ]]](A[\frac{t}{x}])_{\mathbb{M}[\sigma]}=A_M[\sigma[x:=t_{\mathbb{M}[\sigma]}]]

Hintikka 集

  • 公式集 Ψ\Psi 为 Hintikka 集指其满足以下 19 条 (FOL with equality)
    • 2¬\neg,2\rightarrow,2\wedge,2\vee,(2\leftrightarrow),2\exists,2\forall,3\doteq,f,P
  • Hintikka 集可满足
  • TT 上二元关系:st    st    [s]=[t]s\sim t\iff s\doteq t\iff [s]=[t]

语法

自然推理系统 GG

  • 公理:Γ,A,ΔΛ,A,Θ\Gamma,A,\Delta\vdash\Lambda,A,\Theta
  • 规则:
    • ¬L:Γ,ΔΛ,AΓ,¬A,ΔΛ\neg L:\frac{\Gamma,\Delta\vdash\Lambda,A}{\Gamma,\neg A,\Delta\vdash\Lambda}
    • ¬R\neg R
    • L\vee L
    • R\vee R
    • L\wedge L
    • T\wedge T
    • L:Γ,Δ,Γ Γ,B,ΔΛΓ,AB,ΔΛ\rightarrow L: \frac{\Gamma,\Delta,\Gamma\ \Gamma,B,\Delta\vdash\Lambda}{\Gamma,A\rightarrow B,\Delta\Lambda}
    • R\rightarrow R
    • L:Γ,A[t/x],xA(x),ΔΛΓ,xA(x),ΔΛ\forall L: \frac{\Gamma,A[t/x],\forall x A(x),\Delta\vdash\Lambda}{\Gamma,\forall xA(x),\Delta\vdash\Lambda}
    • R:Γ,A[y/x],ΘΓΛ,xA(x),Θ\forall R: \frac{\Gamma\vdash,A[y/x],\Theta}{\Gamma\vdash\Lambda,\forall x A(x),\Theta} y 为新变元
    • L:Γ,A[y/x],ΔΛΓ,xA(x),ΔΓ\exists L:\frac{\Gamma,A[y/x],\Delta\vdash\Lambda}{\Gamma,\exists xA(x),\Delta\vdash\Gamma} y 为新变元
    • R:ΓΛ,A[t/x],xA(x),ΘΓΛ,xA(x),Θ\exists R:\frac{\Gamma\vdash\Lambda,A[t/x],\exists xA(x),\Theta}{\Gamma\vdash \Lambda,\exists xA(x),\Theta}
    • Cut:ΓΛ,A Δ,AΘΓ,ΔΛ,Θ\text{Cut}:\frac{\Gamma\vdash\Lambda,A\ \Delta,A\vdash\Theta}{\Gamma,\Delta\vdash\Lambda,\Theta}
  • Hauptsatz:Cut 规则可由其它规则导出
  • ΓΛ\Gamma\vdash \Lambda 可证:存在证明树
  • A1,,AmB1,,Bn    i=1mAii=1nBiA_1,\cdots,A_m\vdash B_1,\cdots,B_n\iff \wedge_{i=1}^mA_i\vdash\wedge_{i=1}^nB_i
  • ΓΔΓ,ΘΔ,Ψ\Gamma\vdash\Delta\Rightarrow \Gamma,\Theta\vdash \Delta,\Psi
  • 导出规则 (A(t)=A[tx])(A(t)=A[\frac{t}{x}])
    • 反证法:¬A,ΓB,¬A,Γ¬BΓA\frac{\neg A,\Gamma\vdash B,\neg A,\Gamma\vdash\neg B}{\Gamma\vdash A}
    • 分情况:A,ΓB  ¬A,ΓBΓB\frac{A,\Gamma\vdash B\ \ \neg A,\Gamma\vdash B}{\Gamma\vdash B}
    • 逆否推演:ΓABΓ¬B¬A\frac{\Gamma\vdash A\rightarrow B}{\Gamma\vdash\neg B\rightarrow\neg A}
    • 矛盾规则:ΓA  Γ¬AΓB\frac{\Gamma\vdash A\ \ \Gamma\vdash\neg A}{\Gamma\vdash B}
    • MP:ΓA  ΓABΓB\frac{\Gamma\vdash A\ \ \Gamma\vdash A\rightarrow B}{\Gamma\vdash B}
    • 三段论:ΓA(t)  Γx(A(x)B(x))ΓB(t)\frac{\Gamma\vdash A(t)\ \ \Gamma\vdash\forall x(A(x)\rightarrow B(x))}{\Gamma\vdash B(t)}
  • ΓΔ\Gamma\vdash\Delta 有效:(i=1nAi)(j=1mBj)\vDash(\wedge_{i=1}^nA_i)\rightarrow(\vee_{j=1}^mB_j)
    • {}{}\{\}\vdash\{\} 非有效
    • 有反例即非有效
  • 除 Cut 外规则:上矢列有效     \iff 下矢列有效
  • Soundness: ΓΔ\Gamma\vdash\DeltaΓΔ\Gamma\vDash\Delta

GeGe

  • GG 加上以下三个等词公理
    • ss\vdash s\doteq s
    • s1t1,,sntnf(s1,,sn)f(t1,,tn)s_1\doteq t_1,\cdots,s_n\doteq t_n\vdash f(s_1,\cdots,s_n)\doteq f(t_1,\cdots,t_n)
    • s1t1,,sntn,p(s1,,sn)p(t1,,tn)s_1\doteq t_1,\cdots,s_n\doteq t_n, p(s_1,\cdots,s_n)\vdash p(t_1,\cdots,t_n)
  • GeGe 中可证以下矢列
    • (st)(ts)\vdash(s\doteq t)\rightarrow(t\doteq s)
    • (st)(tusu)\vdash(s\doteq t)\rightarrow(t\doteq u\rightarrow s\doteq u)
  • ΓΔ\Gamma\vdash\DeltaGeGe中可证    Γe,ΓΔ\iff\Gamma e,\Gamma\vdash\DeltaGG 中可证
    • Γe={x(xx),xy(x=˙yf(x)f(y)),xy(xy(p(x)p(y)))}\Gamma e=\{\forall x(x\doteq x),\forall\vec x\forall\vec y(\vec x\dot=\vec y\rightarrow f(\vec x)\doteq f(\vec y)),\forall\vec x\forall\vec y(\vec x\doteq\vec y\rightarrow(p(\vec x)\rightarrow p(\vec y)))\}

Completeness

  • Incon(Γ)\text{Incon}(\Gamma):矛盾指 Γ\Gamma 有穷子集 Δ,Δ\Delta,\Delta\vdash
    • Incon(Γ)    A\text{Incon}(\Gamma)\iff\forall A 存在 Γ\Gamma 有穷子集 Δ,ΔA\Delta,\Delta\vdash A
    • Con(Γ)\text{Con}(\Gamma):协调指 Γ\Gamma 不矛盾
      • ΓACon(Γ{A})\Gamma\vdash A\Rightarrow\text{Con}(\Gamma\cup\{A\})
      • ΓA\Gamma\vdash A 不可证Con(Γ{¬A})\Rightarrow\text{Con}(\Gamma\cup \{\neg A\})
  • Γ\Gamma 可满足 Con(Γ)\Rightarrow\text{Con}(\Gamma)
    • Incon(Γ)Γ\text{Incon}(\Gamma)\Rightarrow\Gamma 不可满足
  • Con(Γ)Γ\text{Con}(\Gamma)\Rightarrow\Gamma 可满足
    • 极大协调
      • Con(Γ)\text{Con}(\Gamma)Δ,Con(Δ),ΓΔΓ=Δ\forall \Delta,\text{Con}(\Delta),\Gamma\subseteq\Delta\Rightarrow\Gamma=\Delta
      •     Con(Γ)\iff\text{Con}(\Gamma)(A)Con(Γ{A}),AΓ(\forall A)\text{Con}(\Gamma\cup\{A\}),A\in\Gamma
      •     Con(Γ)\iff\text{Con}(\Gamma)A,AΓ¬AΓ\forall A,A\in\Gamma\vee\neg A\in\Gamma
      • 存在 Γ\Gamma 的有穷子集 Δ\Delta 使 ΔA    AΓ\Delta\vdash A\iff A\in\Gamma
    • Henkin 集
      • Γ\Gamma 极大协调
      • x.AΓ\exists x.A\in\Gamma, 则有项 tt 使 A[tx]ΓA[\frac{t}{x}]\in\Gamma
    • Henkin construction: Con(Φ)\text{Con}(\Phi)\Rightarrow存在 Henkin 集 Ψ\Psi (L=L{cncN}\mathscr{L'}=\mathscr{L}\cup\{c_n|c\in \mathbb{N}\}下), 使 ΨΦ\Psi\supseteq\Phi
    • Γ\Gamma 为 Henkin 集 \Rightarrow Γ\Gamma 为 Hintikka 集
  • Completeness: ΓAΓA\Gamma\vDash A\Rightarrow\Gamma\vdash A
  • Compactness: Γ\Gamma 的任意有穷子集可满足 Γ\Rightarrow\Gamma 可满足
    • 另有语义证明

一阶逻辑的永真推理系统 PKPK

  • 公理
    • 第一组
      • A1 : ABA\rightarrow B
      • A2 : (A(BC))(B(AC))(A\rightarrow(B\rightarrow C))\rightarrow(B\rightarrow(A\rightarrow C))
      • A3 : (AB)((BC)(AC))(A\rightarrow B)\rightarrow((B\rightarrow C)\rightarrow(A\rightarrow C))
      • A4 : (A(AB))(AB)(A\rightarrow(A\rightarrow B))\rightarrow(A\rightarrow B)
      • A5 : (A¬B)(B¬A)(A\rightarrow\neg B)\rightarrow(B\rightarrow\neg A)
      • A6 : (¬¬A)A(\neg\neg A)\rightarrow A
      • A7 : (AB)A(A\wedge B)\rightarrow A
      • A8 : (AB)B(A\wedge B)\rightarrow B
      • A9 : A(B(AB))A\rightarrow(B\rightarrow(A\wedge B))
      • A10: A(AB)A\rightarrow(A\vee B)
      • A11: B(AB)B\rightarrow(A\vee B)
      • A12: (AC)((BC)((AB)C))(A\rightarrow C)\rightarrow((B\rightarrow C)\rightarrow ((A\vee B)\rightarrow C))
    • 第二组
      • A13: xAA[tx]\forall xA\rightarrow A[\frac{t}{x}]
      • A14: A[tx]xAA[\frac{t}{x}]\rightarrow\exists xA
      • A15: AxA,x∉FV(A)A\rightarrow\forall xA,x\not\in\text{\text{FV}}(A)
      • A16: xAA,x∉FV(A)\exists xA\rightarrow A,x\not\in\text{\text{FV}}(A)
      • A17: x(AB)(xAxB)\forall x(A\rightarrow B)\rightarrow(\forall xA\rightarrow\forall xB)
      • A18: x(AB)(xAxB)\exists x(A\rightarrow B)\rightarrow(\exists xA\rightarrow\exists xB)
    • 第三组等词定理
      • A19: x=˙xx\dot=x
      • A20: (x1=˙y1)((xn=˙yn)(f(x1,,xn)=˙f(y1,,yn))(x_1\dot=y_1)\rightarrow\cdots((x_n\dot=y_n)\rightarrow(f(x_1,\cdots,x_n)\dot=f(y_1,\cdots,y_n))
      • A21: (x1=˙y1)((xn=˙yn)(P(x1,,xn)=˙P(y1,,yn))(x_1\dot=y_1)\rightarrow\cdots((x_n\dot=y_n)\rightarrow(P(x_1,\cdots,x_n)\dot=P(y_1,\cdots,y_n))
    • 第四组:前面各组公理的全称化
      • AA 的全称化:x1x2xn.A\forall x_1\forall x_2\cdots\forall x_n.A
  • 规则:MP:AB AB\frac{A\rightarrow B\ A}{B}
  • ΓPKA\Gamma\vdash_{\text{PK}}A 指存在序列 A1,,An=AA_1,\cdots,A_n=A, ini\leq n 时满足以下任一条
    • AiA_i 为公理
    • AiΓA_i\in\Gamma
    • j,k<i,Aj=(AkAi)\exists j,k<i,A_j=(A_k\rightarrow A_i)
  • 推理定理:Γ,CA\Gamma,C\vdash AΓCA\Gamma\vdash C\rightarrow A
  • 泛化性定理:x∉FV(Γ)x\not\in\text{\text{FV}}(\Gamma), 若 ΓA\Gamma\vdash AΓxA\Gamma\vdash\forall xA
  • Generalization on Constants:
    • 常元 cc 不在 Γ,A\Gamma,A 中出现,若 ΓA[cx]\Gamma\vdash A[\frac{c}{x}]ΓxA\Gamma\vdash\forall xA
    • 常元 cc 不在 Γ,A,B\Gamma,A,B 中出现, 若 Γ,A[cx]B\Gamma,A[\frac{c}{x}]\vdash BΓ,xAB\Gamma,\exists xA\vdash B
  • 定理
    • x.A¬x¬A\vdash\forall x.A\leftrightarrow\neg\exists x\neg A
    • x.A¬x¬A\vdash\exists x.A\leftrightarrow\neg\forall x\neg A
  • A\vdash AGG 中可证    \iff AAPKPK 中可证

Herbrand 定理

  • 前束范式:一阶语言的公式呈形 Q1x1.(Q2x2.(,Qnxn.(B)))Q_1x_1.(Q_2x_2.(\cdots,Q_nx_n.(B))), Qi{,}(in),BQ_i\in\{\forall,\exists\}(i\leq n),B 中无量词
    • 记为 Q1x1Qnxn.BQ_1x_1\cdots Q_nx_n.B
    • QQ^*QQ 的对偶
    • 任意公式有前束范式
      • A,B,AQ1x1Qnxn.B\forall A,\exists B,\vdash A\leftrightarrow Q_1x_1\cdots Q_nx_n.B, x1,,xnx_1,\cdots,x_n 互异且 BB 中无量词
    • 命题
      • x∉FV(B)x\not\in\text{\text{FV}}(B), 则 Qx.BB\vdash Qx.B\leftrightarrow B
      • yy 为新变元, Qx.BQy.B[yx]\vdash Qx.B\leftrightarrow Qy.B[\frac{y}{x}]
      • ¬x.Ax.¬A.\vdash\neg\forall x.A\leftrightarrow\exists x.\neg A.
      • ¬x.Ax.¬A.\vdash\neg\exists x.A\leftrightarrow\forall x.\neg A.
      • x∉FV(B)x\not\in\text{\text{FV}}(B), 则 (Qx.AB)Qx.(AB)\vdash (Qx.A · B)\leftrightarrow Qx.(A·B)
  • Skolem 范式:前束范式的 Skolem 范式 AsA^s 归纳定义如下:
    • AA 中无量词,则 As=AA^s=A
    • (x.A)s=x.(As)(\forall x.A)^s=\forall x.(A^s)
    • FV(x.A)=\text{\text{FV}}(\exists x.A)=\emptyset, 则 (x.A)s(\exists x.A)^s(A[cx])s(A[\frac{c}{x}])^s, cc 为新常元
    • FV(x.A)={x1,,xn}\text{\text{FV}}(\exists x.A)=\{x_1,\cdots,x_n\}, 则(x.A)s=(A[f(x1,,xn)x])s(\exists x.A)^s=(A[\frac{f(x_1,\cdots,x_n)}{x}])^s, ffnn 元新函数
  • AA 为闭前束范式(即无自由变元),AA可满足    As\iff A^s 可满足
  • Herbrand 域 HAH_A
    • AA 中无常元,则 H0={c0}H_0=\{c_0\}c0Lcc_0\in\mathscr{L}_c
    • AA 中有常元,则 H0={ccLcH_0=\{c|c\in\mathscr{L}_c 且出现在 AA}\}
    • Hn+1=Hn{f(t1,,tm)fLf,t1,,tmHn}H_{n+1}=H_n\cup\{f(t_1,\cdots,t_m)|f\in \mathscr{L}_f,t_1,\cdots,t_m\in H_n\}
    • HA={HnnN}H_A=\cup\{H_n|n\in N\}
      • 其中元素为 L\mathscr{L}-闭项
  • AA 对应于 M\mathbb{M} 的 Herbrand 结构 HA=(HA,IA)\mathbb{H}_A=(H_A,I_A)
    • IA(c)=cI_A(c)=ccHAc\in H_A 否则 c0c_0
    • IA(f)(t1,,tm)=f(t1,,tm)I_A(f)(t_1,\cdots,t_m)=f(t_1,\cdots,t_m)ff 出现在 AA 中否则 c0c_0
    • IA(P)={t1,,tmHAmMP(t1,,tm)}I_A(P)=\{\langle t_1,\cdots,t_m\rangle\in H_A^m|\mathbb{M}\vDash P(t_1,\cdots,t_m)\}
  • L\mathscr{L}-闭公式 AA 为 Skolem 范式,MA\mathbb{M}\vDash AHAA\mathbb{H}_A\vDash A
    • L\mathscr{L}-闭公式 AsA^s 可满足     \iff AsA^s 在某个 Herbrand 结构中满足
  • Herbrand 定理L\mathscr{L}-闭公式 As=x1xn.BA^s=\forall x_1\cdots\forall x_n.B 可满足     \iff Γ\Gamma 可满足, Γ={B[t1x1][tnxn]t1,,tnHA}\Gamma=\{B[\frac{t_1}{x_1}]\cdots[\frac{t_n}{x_n}]|t_1,\cdots,t_n\in H_A\}

实例

初等算术语言 A\mathscr{A}

  • 常元{0}\{0\}, 函数符集{S,+,}\{S,+,\cdot\}, 谓词符集{<}\{<\}
  • 初等算术的标准模型

群论语言 B\mathfrak{B}

  • 常元{e}\{e\}, 函数符集{1,}\{^{-1},\cdot\}

集合论

Cantor 集合论

  • 外延原则:A=Bx(xAxB)A=B\leftrightarrow\forall x(x\in A\rightarrow x\in B)
  • 概括原则:P,S,aSP(a),\forall P,\exists S, a\in S\rightarrow P(a), 记为 S={xP(x)}S=\{x|P(x)\}
  • Russell 悖论:P(x)=x∉xP(x)=x\not\in x

公理集合论

  • 集合论语言
    • 谓词 \in(2)
    • 常元 \emptyset
    • 函数符
      • 对偶函数符 ,(2)
      • 幂集函数符 P\mathcal{P}(1)
      • 并集函数符 \cup(1)
    • 变元符 x,y,z,A,B,Cx,y,z,A,B,C
  • 约定
    • ABA\subseteq Bx(xAxB)\forall x(x\in A\rightarrow x\in B)
    • {a}\{a\}{a,a}\{a,a\}
    • a+a^+a{a}a\cup\{a\}
    • ABA\cup B{xxAxB}\{x|x\in A\vee x\in B\}
    • (xA)ϕ(\forall x\in A)\phix(xAϕ)\forall x(x\in A\rightarrow\phi)
    • (xA)ϕ(\exists x\in A)\phix(xAϕ)\exists x(x\in A\wedge\phi)
  • ZF 公理
    • 外延性公理 AB(x(xAxB)A=B)\forall A\forall B(\forall x(x\in A\leftrightarrow x\in B)\rightarrow A=B)
    • 空集公理 Bx(¬(xB))\exists B\forall x(\neg(x\in B))
      • 若有常元 \emptyset 可记为 x(x∉)\forall x(x\not\in \emptyset)
    • 对偶公理 uvBx(xB(x=ux=v))\forall u\forall v\exists B\exists x(x\in B\leftrightarrow(x=u\vee x=v))
      • 若有函数 , 则可记为 uvx(x{u,v}(x=ux=v))\forall u\forall v\exists x(x\in \{u,v\}\leftrightarrow(x=u\vee x=v))
    • ABx(xB(bA)(xb))\forall A\exists B\forall x(x\in B\leftrightarrow(\exists b\in A)(x\in b))
      • 若有函数 \cup 则可记为 ABx(xB(bA)(xb))\forall A\exists B\forall x(x\in B\leftrightarrow(\exists b\in A)(x\in b))
    • 幂集公理 aBx(xBxa)\forall a\exists B\forall x(x\in B\leftrightarrow x\subseteq a)
      • 若有函数 P\mathcal{P} 则可记为 x(xP(a)xa)\forall x(x\in \mathcal{P}(a)\leftrightarrow x\subseteq a)
    • 子集公理 S-公式ϕ\phi, FV(ϕ){x1,,xk,x},B∉FV(ϕ)\text{\text{FV}}(\phi)\subseteq\{x_1,\cdots,x_k,x\},B\not\in\text{\text{FV}}(\phi), 有 xCBx(xB(xCϕ))\forall\vec x\forall C\exists B\forall x(x\in B\leftrightarrow(x\in C\wedge\phi))
      • 以 Cantor 记号记:B={xCϕ}B=\{x\in C|\phi\}
      • 避免 Russell 悖论
    • 无穷公理:A(A(aA)(a+A))\exists A(\emptyset\in A\wedge(\forall a\in A)(a^+\in A))
      • 不唯一
      • Ind(A)=A(aA)(a+A)\text{Ind}(A)=\emptyset\in A\wedge(\forall a\in A)(a^+\in A), 满足者称归纳集
      • N={xxAB(Ind(B)xB)}\mathbb{N}=\{x|x\in A\wedge\forall B(\text{Ind(B)}\rightarrow x\in B)\}
      • Peano 算术模型:(N,0,Suc)(\mathbb{N},0,\text{Suc})
      • Peano 公理
        • (eS)(e ∈ S)
        • (aS)(f(a)S)(∀ a ∈ S)( f(a) ∈ S )
        • (bS)(cS)(f(b)f(c)bc)(∀ b ∈ S)(∀ c ∈ S)(f(b) = f(c) → b = c)
        • (aS)(f(a)e)(∀ a ∈ S)( f(a) ≠ e )
        • (AS)(((eA)(aA)(f(a)A))(AS))(∀ A ⊆ S)( ((e ∈ A) ∧ (∀ a ∈ A)(f(a) ∈ A)) → (A = S) )
  • ZFC: ZF+AC
    • 选择公理(AC) : Aτ((τ:P(A){}A)(B(P(A){}))(τ(B)B))\forall A\exists\tau((\tau:\mathcal{P}(A)-\{\emptyset\}\rightarrow A)\wedge(\forall B\in (\mathcal{P}(A)-\{\emptyset\}))(\tau(B)\in B))
    • Zorn 引理:设 SS 为偏序集,SS 中每个链皆有界,则 SS 有极大元
      • 等价于选择公理
    • 独立性结果
      • con(ZF)con(ZF+AC)\text{con}(ZF)\Rightarrow\text{con}(ZF+AC)
      • con(ZF)con(ZF+¬AC)\text{con}(ZF)\Rightarrow\text{con}(ZF+\neg AC)