Logika dla informatyków/Logika pierwszego rzędu. Sposób użycia

Logika pierwszego rzędu. Sposób użycia.

Przyjrzyjmy się teraz kilku ważnym tautologiom.

Fakt

Następujące formuły są tautologiami (dla dowolnych Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi} i $\psi$).

1. Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \forall x(\var\varphi\to\psi)\to(\exists x\var\varphi\to\exists x\psi)} ;
2. $\mathrm{\exists }x\phi \to \phi$, o ile $x\in ̸FV(\phi )$;
3. $\phi [x:=s]\to \mathrm{\exists }x\phi$;
4. $\mathrm{\neg }\mathrm{\forall }x\phi \leftrightarrow \mathrm{\exists }x\mathrm{\neg }\phi$;
5. $\mathrm{\neg }\mathrm{\exists }x\phi \leftrightarrow \mathrm{\forall }x\mathrm{\neg }\phi$;
6. $\mathrm{\forall }x(\phi \wedge \psi )\leftrightarrow \mathrm{\forall }x\phi \wedge \mathrm{\forall }x\psi$;
7. $\mathrm{\exists }x(\phi \vee \psi )\leftrightarrow \mathrm{\exists }x\phi \vee \mathrm{\exists }x\psi$;
8. $\mathrm{\forall }x(\phi \vee \psi )\leftrightarrow \phi \vee \mathrm{\forall }x\psi$,o ile $x\in ̸FV(\phi )$;
9. $\mathrm{\exists }x(\phi \wedge \psi )\leftrightarrow \phi \wedge \mathrm{\exists }x\psi$, o ile $x\in ̸FV(\phi )$;
10. $\mathrm{\forall }x\phi \to \mathrm{\exists }x\phi$;
11. $\mathrm{\forall }x\mathrm{\forall }y\phi \leftrightarrow \mathrm{\forall }y\mathrm{\forall }x\phi$;
12. $\mathrm{\exists }x\mathrm{\exists }y\phi \leftrightarrow \mathrm{\exists }y\mathrm{\exists }x\phi$;
13. $\mathrm{\exists }x\mathrm{\forall }y\phi \to \mathrm{\forall }y\mathrm{\exists }x\phi$;

Dowód

Ćwiczenie.

Formuły (1-3) powyżej wyrażają własności kwantyfikatora szczegółowego i są odpowiednikami formuł z Faktu 2.7. Zauważmy, że zamiast rozdzielności kwantyfikatora szczegółowego, mamy tu jeszcze jedno prawo rozkładu kwantyfikatora ogólnego. Zakłóca to nieco symetrię pomiędzy $\mathrm{\forall }$ i $\mathrm{\exists }$, wyrażoną prawami de Morgana (4) i (4).

Kolejne dwie tautologie przypominają o bliskim związku kwantyfikatora ogólnego z koniunkcją i kwantyfikatora szczegółowego z alternatywą. (Uwaga: zmienna $x$ może być wolna w Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi} i $\psi$.) Analogiczna rozdzielność kwantyfikatora ogólnego względem alternatywy (8) i kwantyfikatora szczegółowego względem koniunkcji (9) nie zawsze jest prawdą, ale zachodzi pod warunkiem, że zmienna wiązana kwantyfikatorem nie występuje w jednym z członów formuły. (Prawo (8) nazywane bywa prawem Grzegorczyka.)

Formuła (10) jest odbiciem naszego założenia o niepustości świata. Jest to tautologia, ponieważ umówiliśmy się, że rozważamy tylko struktury o niepustych nośnikach.

Prawa (11)--(13) charakteryzują możliwości permutowania kwantyfikatorów. Implikacja odwrotna do (13) zazwyczaj nie jest tautologią.

Stosując równoważności (4--[9) możemy każdą formułę sprowadzić do postaci, w której wszystkie kwantyfikatory znajdują się na początku.

Definicja 3.2

Mówimy, że formuła Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi} jest w preneksowej postaci normalnej, gdy

Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi = Q_1y_1Q_2y_2\ldots Q_ny_n\,\psi} ,

gdzie każde z $Q_i$ to $\mathrm{\forall }$ lub $\mathrm{\exists }$, a $\psi$ jest formułą otwartą. (Oczywiście $n$ może być zerem.)

Fakt 3.3

Dla każdej formuły pierwszego rzędu istnieje równoważna jej formuła w preneksowej postaci normalnej.

Dowód

Indukcja (ćwiczenie).

Przykład 3.3

Formuła $\mathrm{\exists }yp(y)\to \mathrm{\forall }zq(z)$ jest równoważna każdej z następujących formuł:

$\mathrm{\neg }\mathrm{\exists }yp(y)\vee \mathrm{\forall }zq(z)$;

$\mathrm{\forall }y\mathrm{\neg }p(y)\vee \mathrm{\forall }zq(z)$;

$\mathrm{\forall }y(\mathrm{\neg }p(y)\vee \mathrm{\forall }zq(z))$;

$\mathrm{\forall }y\mathrm{\forall }z(\mathrm{\neg }p(y)\vee q(z))$;

$\mathrm{\forall }y\mathrm{\forall }z(p(y)\to q(z))$.

Logika formalna i język polski

Systemy logiki formalnej są, jak już mówiliśmy, tylko pewnymi modelami, czy też przybliżeniami rzeczywistych sposobów wyrażania różnych stwierdzeń i wnioskowania o ich poprawności. Poziom dokładności takich przybliżeń może być większy lub mniejszy. Większy tam, gdzie mamy do czynienia z dobrze określoną teorią matematyczną, lub językiem programowania. Mniejszy wtedy, gdy używamy logiki do weryfikacji poprawności stwierdzeń języka potocznego, choćby takiego jak podręcznikowy przykład: Janek idzie do szkoły. Oczywiście przypisanie temu stwierdzeniu wartości logicznej jest zgoła niemożliwe, nie wiemy bowiem, który Janek do jakiej ma iść szkoły i czy może już doszedł? Więcej sensu ma zastosowanie logiki predykatów do analizy np. takiego rozumowania:

Każdy cyrulik sewilski goli tych wszystkich mężczyzn w Sewilli, którzy się sami nie golą.

Ale nie goli żadnego z tych, którzy golą się sami.

A zatem w Sewilli nie ma ani jednego cyrulika.

W tym przypadku aparat logiki formalnej może być pomocny. Łatwiej zrozumieć o co chodzi, tłumacząc nasz problem na język logiki predykatów, i przedstawiając go jako pytanie o poprawność pewnego stwierdzenia postaci Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \Gamma \models\var\varphi} . Można więc zapytać, czy

$\mathrm{\forall }x(C(x)\wedge S(x)\to \mathrm{\forall }y(G(x,y)\leftrightarrow S(y)\wedge \mathrm{\neg }G(y,y)))\models \mathrm{\neg }\mathrm{\exists }x(C(x)\wedge S(x))?$

Stwierdziwszy poprawność powyższego stwierdzenia, wywnioskujemy, że w Sewilli cyrulika nie ma. I będzie to wniosek ... błędny, bo cyrulik być może jest kobietą.

W powyższym przykładzie po prostu źle\boldsymbol{s}}\def\blank{\hbox{\sf Bstalono logiczną interpretację naszego zadania, zapominając o jednym z jego istotnychelementów. Błąd ten można łatwo naprawić, co jest zalecane jako ćwiczenie. Ale nie zawsze język logiki formalnej wyraża ściśle to samo, co p\leftrightarrowczny język polski, a nawet język w którym pisane są prace matematyczne. Zarówno składnia jak i semantyka tych języków rządzi się zupełnie innymi prawami, i o tym należy pamiętać tłumacząc jeden na drugi.

\subsubsection*{Implikacja materialna i związek przyczynowo-skutkowy}

Implikacja, o której mówimy w logice klasycznej to tzw. \rightarrowlikacja materialna\/. Wartość logiczna, którą przypisujemy wyrażeniu ,,Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi \to\psi} \/ zależy wyłącznie od wartości logicznych przypisanych jego częściom składowym Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi} i $\psi$. Nie zależy natomiast zupełnie od treści tych wyrażeń, czy też jakichkolwiek innych związków pomiędzy Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi} i $\psi$. W szczególności, wypowiedzi Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi} i $\psi$ mogą mówić o zajściu jakichś zdarzeń i wtedy wartość logiczna \rightarrowlikacji ,,Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi\to\psi} nie ma nic wspólnego z ichewentualnym następstwem w czasie, lub też z tym, że jedno z tych zdarzeń spowodowało drugie. W języku polskim stwierdzenie ,,jeśli Parser nie mógł rozpoznać (nieznana funkcja „\var”): {\displaystyle \var\varphi} to $\psi$\/ oczywiście sugeruje taki związek, np. w zdaniu:

\hfil Jeśli zasilanie jest włączone, to terminal działa.

Tymczasem \rightarrowlikacja materialna nie zachodzi, o czym dobrze wiedzą\boldsymbol{s}}\def\blank{\hbox{\sf Bżytkownicy terminali. Co więcej, w istocie materialną prawdą jest stwierdzenie odwrotne:

\hfil Jeśli terminal działa to zasilanie jest włączone.

Natomiast zdanie

\hfil Terminal działa, ponieważ zasilanie jest włączone,

stwierdza nie tylko związek przyczynowo-skutkowy, ale też faktyczne zajście wymienionych zdarzeń i w ogóle nie ma odpowiednika w logice klasycznej.

Inne spójniki w mniejszym stopniu grożą podobnymi nieporozumieniami. Ale na przykład spójnik ,,i w języku polskim może też sugerować następstwo czasowe\footnote{W językach programowania jest podobnie, ale to już inna historia.} zdarzeń: ,,Poszedł i zrobił.'' A wyrażenie ,,A, chyba że B\/ ma inny odcień znaczeniowy niż proste {\it,,A lub B\/}. Przy tej okazji zwróćmy\boldsymbol{s}}\def\blank{\hbox{\sf Bwagę na to, że słowo ,,albo\/ bywa czasem rozumiane w znaczeniu alternatywy wykluczającej. My jednak\boldsymbol{s}}\def\blank{\hbox{\sf Bmawiamy się, że rozumiemy je tak samo jak {\it,,lub}.