Общезначимость и выполнимость формул. Проблема разрешимости

Определение 8. Формула А логики предикатов называется выполнимой в области М, если существуют значения переменных входящих в эту формулу и отнесенных к области М (иначе – существует модель), при которых формула А принимает истинные значения.

Определение9. Формула А логики предикатов называется выполнимой, если существует область, на которой эта формула выполнима.

Определение 10. Формула А логики предикатов называется тождественно-истинной в области М (выполнимой), если она принимает истинные значения для всех значений переменных, входящих в эту формулу и отнесенных к этой области.

Определение 11. Формула А логики предикатов называется общезначимой, если она тождественна истинна на всякой области (на любой модели).

Если две равносильные формулы логики предикатов соединить знаком эквиваленции , то полученная формула будет принимать значение И для любого набора переменных в любой области, т.е. будет общезначимой.

Это понятие является обобщением понятия тождественной истинности формулы логики высказываний. Все логические законы, представленный в логике высказываний формулами являются общезначимыми формулами логики предикатов и выражают, как и другие общезначимые формулы, законы логики на языке логике предикатов.

Общезначимость формулы логики предикатов, например, F обозначается ├F. Все общезначимые формулы могут быть источниками новых ├ формул. Например, подставляя в закон исключенного третьего – вместо х предикат Р(х₁,…,х_n), получаем общезначимую формулу Р(х₁,…,х_n) (х₁,…,х_n). При n=1 имеем общезначимую формулу , и, таким образом, - общезначимая формула логики предикатов.

Из тождественно истинной формулы логики высказываний подстановкой вместо х предиката Р(х, y), а вместо y- предиката Q(x,y) получаем общезначимую формулу и т. д.

Определение 12. Формула А логики предикатов называется тождественно ложной в области М, если она принимает ложные значения для всех значений переменных, входящих в эту формулу и отнесенных к этой области (иными словами, на данной модели).

Определение 13. Формула А логики предикатов называется тождественно ложной (невыполнимой), если она тождественно ложна на всякой области (на всякой модели).

Например, формула является тождественно ложной (невыполнимой) формулой логики предикатов.

Из приведенных определений с очевидностью следует:

1. Если формула А общезначима, то она и выполнима на всякой области (модели).

2. Если формула А тождественно истинна в области М, то она и выполнима в этой области .

3. Если формула А тождественно ложна в области М , то она не выполнима в этой области .

4. Если формула А не выполнима, то она тождественно ложна на всякой области (на всякой модели).

5. Для того, чтобы формула А логики предикатов была общезначима, необходимо и достаточно, чтобы ее отрицание было не выполнимо.

6. Для того, чтобы формула А логики предикатов была выполнимой, необходимо и достаточно, чтобы формула была не общезначима.

Пример 1. Доказать равносильность (логическое тождество):

Заметив, что в каждой из кванторных подформул обе предметные переменные связаны и что, таким образом, они являются высказываниями, введем обозначения:

А= ,

В= или обозначив первую и вторую предметные переменные через n1 и n2, соответственно:

А= В=

В этих обозначениях заданное для рассмотрения тождество будет выглядеть так: .

Произведя равносильные преобразования, можем убедиться в справедливости этого тождества:

Если охарактеризовать рассматриваемое выражение в целом, то видим, что это общезначимая формула.

Пример 2. Определить тип формулы .

Пусть Р(х) : “ Число х - четно –” предикат, определенный в М=N².

Таким образом, рассматриваемая формула на данной модели представляет собой следующее утверждение: “ Среди натуральных чисел существуют как четные, так и нечетные ”. Очевидно, что это высказывание истинно и, таким образом, на данной модели формула F тождественно истинна.

Однако, если этот же предикат задать на множестве M=NхN,где N – множество четных чисел, то формула F на такой модели окажется тождественно ложной.

Учитывая изложенное, заключаем, что рассматриваемая формула F выполнима (но не общезначима).

Пример 3. Для формулы подобрать модель, на которой она является тождественно истинной (и, таким образом, в целом выполнимой).

Пусть Р(x, x, y): “x·x=y”, или иначе “x²=y” – предикат, определенный на множестве натуральных чисел, т.е. М=N. Тогда рассматриваемая формула выражает утверждение о существовании натурального квадрата натурального числа, что, очевидно, является истиной, т.е. на данной модели формула тождественно истинна, что и требовалось доказать.

Пример 4. Рассмотрим формулу . Это выполнимая формула. Действительно, если Р(х, y, x): “x+y=x” – предикат суммы, то на M=N существует подстановка вместо y соответствующего значения, дающего значение истинности данной формуле. Очевидно, это y=0, поскольку в этом случае получаем “х=х”.

Если же P(x, y, x): “xy=x” – предикат произведения, то таким значением y является y=1, так как при нем получаем истинное высказывание .

Но это единственные подстановки, приводящие к верным утверждениям, что и говорит именно о выполнимости данной формулы (но не об ее общезначимости).

Пример 5. Является ли общезначимой формула: ?

Пусть P(x, y) – предикат порядка (бинарного отношения ) “ ”, определенный на конечном множестве натуральных чисел M₁. Тогда при подстановке в формулу вместо свободной переменной y величины мы получим истинное утверждение, а при подстановке любой другой константы из множества М₁ – ложное. Таким образом, рассматриваемая формула не является общезначимой.

Пример 6. Рассмотрим формулу . Покажем, что она невыполнима.

Допустим противное, т.е. что она выполнима. Это означает, что существует такое множество М и такой конкретный предикат в нем, что когда , то данная формула превращается в такой конкретный предикат , который, в свою очередь, превращается в истинное высказывание при всякой подстановке вместо y элементов из множества М. Возьмем любое . Тогда высказывание истинно, как мы только что установили. Следовательно, истинны высказывания и .

Из истинности второго высказывания заключаем, что высказывание истинно (поскольку “для всех предметных переменных”, как бы они ни обозначались). Но это противоречит истинности первого высказывания .

Таким образом, наше предположение о выполнимости формулы неверно.

Проблема разрешимости в логике предикатов ставится так же, как и в алгебре логики: существуют ли алгоритмы, позволяющие для любой формулы А логики предикатов установить, к какому типу (классу) она относится, т.е. является ли она общезначимой, выполнимой или тождественно ложной (невыполнимой). Если бы такой алгоритм существовал, то, как и в алгебре высказываний, он сводился бы к критерию тождественной истинности любой формулы логики предикатов. Отметим, что, в отличие от алгебры логики, в логике предикатов не применим метод перебора всех вариантов значений переменных, входящих в формулу, так как таких вариантов может быть бесконечное множество.

Исчисление предикатов – пример неразрешимой формальной системы. Неразрешимость исчисления предикатов доказал в 1936 г. американский логик Алонзо Черч. В доказанной им теореме говорится об отсутствии эффективной процедуры при решении вопроса относительно произвольной формулы формальной системы, содержащей арифметику натуральных чисел, является ли эта формула теоремой.

Теоремы логики предикатов

Для исчисления предикатов также справедливы следующие теоремы, касающиеся его непротиворечивости и полноты:

1. Исчисление предикатов первого порядка непротиворечиво.

2. Во всяком исчислении предикатов первого порядка всякая теорема является общезначимой формулой.

3. Во всяком исчислении предикатов первого порядка всякая общезначимая формула является теоремой (теорема Геделя о полноте).

Общая схема решения логических задач с помощью логики предикатов

Запишем на языке исчисления предикатов некоторое выражение:

y x (человек(x) отец(y,x))

Записанное выражение означает "у всех людей общий отец".

Приведем пример простого доказательства на языке исчисления предикатов.

Даны следующие факты:

1. "Иван является отцом Михаила" - отец(a,b)

2. "Петр является отцом Василия" - отец(c,d)

3. "Иван и Петр являются братьями" -

w (брат(a,c) отец(w,a) отец(w,c))

Даны следующие определения:

4. "Брат отца является дядей" -

y (дядя(x,u) отец(y,u) брат(y,x))

5. "Сын дяди является двоюродным братом" -

x (дв.брат(z,u) дядя(x,u) отец(x,z))

Требуется доказать, что "Михаил и Василий являются двоюродными братьями":

6. x y (дв.брат(b,d) отец(y,b) брат (y,x) отец(x,d))

Делаем подстановки y = Иван, b = Михаил и x = Петр, d = Василий, видим, что предикаты 1, 2, 3 дают правильное предложение 6.

Рассмотренный нами язык называется исчислением предикатов первого порядка и позволяет связывать знаком квантора переменные, соответствующие объектам из предметной области, но не предикаты или функции.

Исчисление предикатов второго порядка позволяет связывать знаком квантора не только переменные, соответствующие объектам из предметной области, но и предикаты или функции. Примером исчисления предикатов второго порядка может служить выражение "Единственное качество Джона - это честность", которое записывается так:

P (P(Джон) качество(P) P = честность)

Общая схема решения логических задач с помощью логики предикатов имеет вид: M_i = {a _i,1, a _i,2,..., a _{i , q}}, I = 1,..., q - множества значений предметных переменных (x₁,x₂,..., x _p) X. P _j (y _j,1, y _j,2,..., y _{j, k}), j = 1,..., r - набор предикатов, причем y _j,l X, l = 1,..., k F = {s₁, s₂,..., s _m} - множество истинных высказываний ( множество фактов, или семантическая сеть).

Составляются одно или несколько предикатных выражений (получаются из простых предикатов с помощью логических операций). Наборы значений предметных переменных, при которых эти выражения принимают значения "истина", являются решениями поставленной задачи.

Пример. Даны следующие факты:

7. "Иван является отцом Михаила" - отец(a,b)

8. "Петр является отцом Василия" - отец(c,d)

9. "Иван и Петр являются братьями" -

w (брат(a,c) отец(w,a) отец(w,c))

Даны следующие определения:

10. "Брат отца является дядей" -

y (дядя(x,u) отец(y,u) брат(y,x))

11. "Сын дяди является двоюродным братом" -

x (дв.брат(z,u) дядя(x,u) отец(x,z))

Требуется доказать, что "Михаил и Василий являются двоюродными братьями":

12. x y (дв.брат(b,d) отец(y,b) брат (y,x) отец(x,d))

Делаем подстановки y = Иван, b = Михаил и x = Петр, d = Василий, видим, что предикаты 1, 2, 3 дают правильное предложение 6.

Пренексные нормальные формы исчисления предикатов

В исчислении высказываний были рассмотрены две нормальные формы высказываний – КНФ и ДНФ. В исчислении предикатов также имеется нормальная форма, так называемая пренексная нормальная форма (ПНФ).

Говорят, что формула F исчисления предикатов находится в ПНФ тогда и только тогда, когда ее можно представить в форме ₁х₁₂х₂ … _rх_r М, где каждый _iх_i, i =1, 2, …, r есть либо x_i, либо x_i и М – бескванторная формула. Иногда ₁х₁₂х₂ … _rх_r называют префиксом, а М – матрицей формулы F.

Например, формула F₁= xy(Q(x,y)P(f(x))R(x,g(y))) находится в ПНФ, а формула F₂ = x(P(x)  yQ(x,y)) – не в ПНФ.

Существует простой алгоритм, преобразующий произвольную заданную формулу в равносильную ей формулу, имеющую пренексный вид. Алгоритм состоит из следующих шагов.

1. Исключение логических связок эквивалентности и импликации. Многократно (пока это возможно) применяется следующее правило: найти самое левое вхождение связок  или  и сделать замены: FФ = (FФ)(FФ); FФ = FФ.

2. Продвижение знака отрицания до атома. Многократно (пока это возможно) делаются замены:  F = F;

(FФ) = FФ;

(FФ) = FФ;

xF(x) = x( F(x));

x F(x) = x(F(x)).

3. Переименование связанных переменных. Переименовать связанные переменные таким образом, чтобы ни одна из переменных не имела одновременно и свободных и связанных вхождений. Многократно (пока это возможно) применяется следующее правило: найти самое левое вхождение переменной такое, что это вхождение связано (некоторым квантором), но существует еще одно вхождение этой же переменной; затем сделать замену связанного вхождения на вхождение новой переменной.

4. Удаление квантификаций, область действия которых не содержит вхождений квантифицируемых переменных.

5. Вынесение кванторов. Используются следующие равносильности:

xF(x)Ф = x(F(x)Ф);

xF(x)Ф = x(F(x)Ф);

xF(x)xФ(x) = x(F(x)Ф(x));

xF(x) xФ(x) = x(F(x)Ф(x));

₁xF(x) ₂xФ(x) =₁x ₂y(F(x)Ф(y));

₁xF(x)  ₂xФ(x) =₁x ₂y(F(x) Ф(y));

где , ₁, ₂ – кванторы либо , либо .

После выполнения пятого шага формула приобретает пренексный вид.