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Propositional Logic (PL)

2019-04-01·Mathematic Logics

语言

  • 字母表:命题符+联结词+辅助符
    • 命题符(propositional symbol):PS={Pn∣n∈N}\text{PS}=\{P_n|n\in\mathbb{N}\}
  • 命题集 PROP\text{PROP} (proposition):为函数 C¬,C∗C_\neg,C_* 下 PS\text{PS} 的归纳闭包
    • C¬(A)=(¬A),C∗(A,B)=(A∗B),∗∈{∨,∧,→}C_\neg(A)=(\neg A),C_*(A,B)=(A*B),*\in\{\vee,\wedge,\rightarrow\}
  • free variable:FV(A)={P∈PS∣P出现在A中}\text{FV}(A)=\{P\in \text{PS}|P 出现在 A 中\}

定理

  • 括号引理:AA 为命题,则 AA 中左右括号个数相等
  • 构造序列:A∈PROP  ⟺  ∃A0,⋯ ,An,n∈N,A=AnA\in \text{PROP}\iff \exists A_0,\cdots,A_n,n\in\mathbb{N},A=A_n 且对于任意的 Ai,i≤nA_i,i\leq n 至少满足下列三条之一
    • Ai∈PSA_i\in PS
    • ∃k<i,Ai=Ak\exists k<i,A_i=A_k
    • ∃k,l<i,Ai=(Ak∗Al)\exists k,l<i, A_i=(A_k*A_l)
  • 结构归纳:对 AA 的构造长度作归纳,是自然数上的归纳
    • 数学归纳法:
      • Basis
      • I.H.
      • Ind. Step

语义

  • 真值集 B={T,F}B=\{T,F\}
    • ¬:H¬:B→B\neg:H_\neg:B\rightarrow B
    • ∗:H∗:B2→B*:H_*:B^2\rightarrow B
  • 赋值:函数 v:PS→Bv:\text{PS}\rightarrow B
  • 命题的解释:函数 v^:PROP→B\hat v:\text{PROP}\rightarrow B
    • v^(Pn)=v(Pn),n∈N\hat v(P_n)=v(P_n),n\in \mathbb{N}
    • v^(¬A)=H¬(v^(A))\hat v(\neg A)=H_\neg(\hat v(A))
    • v^(A∗B)=H¬(v^(A),v^(B))\hat v(A*B)=H_\neg(\hat v(A),\hat v(B))
  • 满足:⊨\vDash
    • v⊨A  ⟺  v^(A)=Tv \vDash A\iff\hat v(A)=T
    • v⊨P  ⟺  v(P)=Tv\vDash P\iff v(P)=T
    • v⊭ϕ  ⟺  v⊨¬ϕv\not\vDash \phi \iff v\vDash \neg \phi
    • v⊨ϕ1∧/∨ϕ2  ⟺  v⊨ϕ1 and/or ϕ2v\vDash \phi_1 \wedge/\vee \phi_2\iff v\vDash \phi_1 \text{ and/or }\phi_2
    • v⊨ϕ1→ϕ2  ⟺  v⊭ϕ1 or v⊨ϕ2v\vDash \phi_1 \rightarrow \phi_2\iff v\not\vDash\phi_1\text{ or }v\vDash\phi_2
    • tautology: ⊨A  ⟺  ∀v:v⊨A\vDash A\iff\forall v:v\vDash A
    • AA 可满足:∃v,v⊨A\exists v,v\vDash A
    • 语义结论:Γ⊂PROP,Γ⊨A  ⟺  ∀v\Gamma\subset \text{PROP},\Gamma\vDash A\iff\forall v 有 ∀B∈Γ,v^(B)=T\forall B\in\Gamma,\hat v(B)=T 则 v^(A)=T\hat v(A)=T

定理

  • v↾FV(A)v\upharpoonright \text{FV}(A):vv 的限制
    • v1↾FV(A)=v2↾FV(A)v_1\upharpoonright \text{FV}(A)=v_2\upharpoonright \text{FV}(A) 则v^1(A)=v^2(A)\hat v_1(A)=\hat v_2(A)
  • nn 元真值函数:A∈PROP,FV(A)={Q1,⋯ ,Qn},HA:Bn→B,∀(a1,⋯ ,an)∈Bn,HA(a1,⋯ ,an)=v^(A),vA\in \text{PROP}, \text{FV}(A)=\{Q_1,\cdots,Q_n\},H_A:B^n\rightarrow B,\forall (a_1,\cdots,a_n)\in B^n, H_A(a_1,\cdots,a_n)=\hat v(A),v满足v(Qi)=ai(1≤i≤n)v(Q_i)=a_i(1\leq i\leq n). HAH_A 为由 AA 定义的真值函数
  • 析合范式(DNF):AA呈形 ⋁i=1m(⋀k=1nPi,k),Pi,k\bigvee_{i=1}^m(\bigwedge_{k=1}^nP_{i,k}),P_{i,k} 为命题符或命题符之否定
    • f:Bn→Bf:B^n\rightarrow B, 存在析合范式 AA, f=HAf=H_A
  • 合析范式(CNF):AA呈形 ⋀j=1l(⋁k=1nQj,k)\bigwedge_{j=1}^l(\bigvee_{k=1}^nQ_{j,k})
    • f:Bn→Bf:B^n\rightarrow B, 存在合析范式 AA, f=HAf=H_A
  • 求析合范式,合析范式
  • 逻辑等价:A≃BA\simeq B 指 ∀v,v⊨A\forall v,v\vDash A iff v⊨Bv\vDash B
  • 任何命题均有逻辑等价的析合范式/合析范式
  • 函数完全组
    • {¬,∧,∨},{¬,∧},{¬,∨},{¬,→},{↑}\{\neg,\wedge,\vee\},\{\neg,\wedge\},\{\neg,\vee\},\{\neg,\rightarrow\},\{↑\}

语法

自然推理系统 G′G'

  • sequent: 二元组 (Γ,Δ)(\Gamma,\Delta), 记为 Γ⊢Δ\Gamma\vdash\Delta, Γ,Δ\Gamma,\Delta 为命题的有穷集合,Γ\Gamma 为前件,Δ\Delta 为后件
  • 公理:Γ,A,Δ⊢Λ,A,Θ\Gamma,A,\Delta\vdash\Lambda,A,\Theta
  • 规则(P10)
    • ¬L:Γ,Δ⊢Λ,AΓ,¬A,Δ⊢Λ\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
    • ∧R\wedge R
    • →L:Γ,Δ,Γ Γ,B,Δ⊢ΛΓ,A→B,ΔΛ\rightarrow L: \frac{\Gamma,\Delta,\Gamma\ \Gamma,B,\Delta\vdash\Lambda}{\Gamma,A\rightarrow B,\Delta\Lambda}
    • →R\rightarrow R
    • Cut:Γ⊢Λ,A Δ,A⊢ΘΓ,Δ⊢Λ,Θ\text{Cut}:\frac{\Gamma\vdash\Lambda,A\ \Delta,A\vdash\Theta}{\Gamma,\Delta\vdash\Lambda,\Theta}
  • provable: 存在 Γ⊢Λ\Gamma\vdash\Lambda 的证明树
  • Falsifiable: 存在赋值 vv, v⊨(A1∧⋯∧Am)∧(¬B1∧⋯Bn)v\vDash(A_1\wedge\cdots\wedge A_m)\wedge(\neg B_1\wedge\cdots B_n), 即 vv 反驳 Γ⊢Δ\Gamma\vdash \Delta
  • valid: ∀v,v⊢(A1∧⋯∧An)→(B1∨⋯∨Bn)\forall v,v\vdash(A_1\wedge\cdots\wedge A_n)\rightarrow(B_1\vee\cdots\vee B_n), vv 满足 v⊢Δv\vdash\Delta 或 v⊨Δv\vDash\Delta
  • Soundness: Γ⊢Δ⇒Γ⊨Δ\Gamma\vdash\Delta\Rightarrow\Gamma\vDash\Delta
  • Completeness: Γ⊨Δ⇒Γ⊢Δ\Gamma\vDash\Delta\Rightarrow\Gamma\vdash\Delta
  • Compactness: Γ\Gamma 的任意有穷子集可满足 ⇒Γ\Rightarrow\Gamma 可满足

永真推理系统 HH

  • 公理模式
    • A1 : A→BA\rightarrow B
    • A2 : (A→(B→C))→(B→(A→C))(A\rightarrow(B\rightarrow C))\rightarrow(B\rightarrow(A\rightarrow C))
    • A3 : (A→B)→((B→C)→(A→C))(A\rightarrow B)\rightarrow((B\rightarrow C)\rightarrow(A\rightarrow C))
    • A4 : (A→(A→B))→(A→B)(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 : (A∧B)→A(A\wedge B)\rightarrow A
    • A8 : (A∧B)→B(A\wedge B)\rightarrow B
    • A9 : A→(B→(A∧B))A\rightarrow(B\rightarrow(A\wedge B))
    • A10: A→(A∨B)A\rightarrow(A\vee B)
    • A11: B→(A∨B)B\rightarrow(A\vee B)
    • A12: (A→C)→((B→C)→((A∨B)→C))(A\rightarrow C)\rightarrow((B\rightarrow C)\rightarrow ((A\vee B)\rightarrow C))
  • 规则 MP: A→B  AB\frac{A\rightarrow B\ \ A}{B}
  • 定理
    • T13: (A→B)→((C→A)→(C→B))(A\rightarrow B)\rightarrow((C\rightarrow A)\rightarrow(C\rightarrow B))
    • T14: (A→B)→((D→(C→A))→(D→(C→B)))(A\rightarrow B)\rightarrow((D\rightarrow(C\rightarrow A))\rightarrow(D\rightarrow(C\rightarrow B)))
    • T15: A→(B→A)A\rightarrow (B\rightarrow A)
    • T16: (C→(B→A))→((C→B)→(C→A))(C\rightarrow (B\rightarrow A))\rightarrow ((C\rightarrow B)\rightarrow (C\rightarrow A))
    • T17: (¬A→¬B)→(B→A)(\neg A\rightarrow\neg B)\rightarrow(B\rightarrow A)
    • T18: A→¬¬AA\rightarrow\neg\neg A
    • T19: (A→B)→(¬B→¬A)(A\rightarrow B)\rightarrow(\neg B\rightarrow\neg A)
    • T20: A∨¬AA\vee\neg A
    • T21: A,¬A⊢¬BA,\neg A\vdash\neg B
    • T22: A,¬A⊢BA,\neg A\vdash B
    • T23: (B→¬B)→¬B(B\rightarrow\neg B)\rightarrow\neg B
    • T24: (A→(C∧¬C))→¬A(A\rightarrow (C\wedge\neg C))\rightarrow\neg A
    • T25: (B∨A)→(¬A→B)(B\vee A)\rightarrow(\neg A\rightarrow B)
    • T26: (A→B)→(B∨¬A)(A\rightarrow B)\rightarrow(B\vee\neg A)
    • T27: (A∨B)→(B∨A)(A\vee B)\rightarrow(B\vee A)
    • T28: (A→(B→C))→((A∧B)→C)(A\rightarrow(B\rightarrow C))\rightarrow((A\wedge B)\rightarrow C)
    • T29: (C∨A)→((C∨B)→(C∨(A∧B)))(C\vee A)\rightarrow((C\vee B)\rightarrow(C\vee(A\wedge B)))
    • T30: (C∨A)→((B→C)→((A→B)→C))(C\vee A)\rightarrow((B\rightarrow C)\rightarrow((A\rightarrow B)\rightarrow C))
    • T31: (A→(C∨B))→(C∨(A→B))(A\rightarrow(C\vee B))\rightarrow(C\vee(A\rightarrow B))
  • Γ⊢H(/⊢/→)A\Gamma\vdash_H(/\vdash/\rightarrow) A
    • ∃P1,⋯ ,Pn=A,i≤n\exists P_1,\cdots,P_n=A,i\leq n, PiP_i 为
      • HH 公理
      • 或Pi∈ΓP_i\in\Gamma
      • 或∃j,k<i,Pj=(Pk→Pi)\exists j,k<i,P_j=(P_k\rightarrow P_i) 即 PiP_i 由前 PjP_j 和 PkP_k 实施 MP 而得
    • 序列 P1,⋯ ,PnP_1,\cdots,P_n 为证明过程,nn 为证明长度
    • Th(Γ)={A∣Γ⊢A},A∈Th\text{Th}(\Gamma)=\{A|\Gamma\vdash A\}, A\in\text{Th} 为Γ\Gamma-定理,
      • ⊢A\vdash A: AA 为定理
  • 推理定理:Γ,C⊢A\Gamma,C\vdash A 则 Γ⊢C→A\Gamma\vdash C\rightarrow A
    • Γ,C=Γ∪{C}\Gamma,C=\Gamma\cup\{C\}
  • G′G' 与 HH
    • ⊢HA⇒⊢A\vdash_H A\Rightarrow\vdash A
    • Γ⊢Δ⇒Γ⊢HΔ‾\Gamma\vdash\Delta\Rightarrow\Gamma\vdash_H\overline{\Delta}
      • Δ‾=⋁i=1nBi,Δ={B1,⋯ ,Bn}\overline{\Delta}=\bigvee_{i=1}^nB_i,\Delta=\{B_1,\cdots,B_n\} if Δ≠∅\Delta\not=\emptyset else =⊥=(C∧¬C)=\perp=(C\wedge\neg C)