Výroková logika dokazatelnost

Transkript

1 Výroková logika dokazatelnost Ke zjištění, zda formule sémanticky plyne z dané teorie (množiny formulí), máme k dispozici tabulkovou metodu. Velikost tabulky však roste exponenciálně vzhledem k počtu výrokových symbolů ve formuli. Již pro relativně malý počet výrokových symbolů je tedy tabulková metoda neúnosná. Nabízí se otázka, jestli není možné o sémantickém vyplývání rozhodnout i jinak. Dokazatelnost (syntaktické vyplývání) Dokazatelnost formalizuje intuitivně chápané pojetí důkazu a je založena na manipulaci s formulemi na syntaktické úrovni. Na rozdíl od sémantického vyplývání nijak nepracuje s pojmem pravdivost formulí. Základní pojmy: axiomová schémata, která formalizují základní vlastnosti a vzájemný vztah logických spojek: ϕ (ψ ϕ) (A1) (ϕ (ψ χ)) ((ϕ ψ) (ϕ χ)) (A2) ( ψ ϕ) (ϕ ψ) (A3) Jakákoli formule, která je ve tvaru (A1) (A3), se nazývá axiom VL. Jinými slovy, nahrazením symbolů ϕ, ψ a χ v axiomových schématech libovolnými formulemi získáme axiom VL. Je však nutné nahrazovat konzistentně tedy každý výskyt ϕ nahradíme stejnou formulí atd. pravidlo odloučení (modus ponens, MP): ϕ, ϕ ψ ψ Tedy z formulí ϕ a ϕ ψ můžeme odvodit (odloučit) ψ. důkaz formule ϕ z teorie (množiny formulí) T je konečná posloupnost formulí ϕ 1,..., ϕ n, kde ϕ n = ϕ a každá ϕ i (1 i n) je axiomem VL, nebo je formule z T, nebo vznikla z předchozích formulí použitím pravidla odloučení, tedy existují indexy j, k < i tak, že ϕ k je ve tvaru ϕ j ϕ i. 1

2 Příklad použití pravidla odloučení: Uvažujme posloupnost formulí ϕ 1,..., ϕ j ϕ } {{ } i,..., ϕ j,..., ϕ m ϕ k Tuto posloupnost můžeme rozšířit o formuli ϕ i, jelikož existují formule ϕ j, ϕ k, pro které platí j, k < i a ϕ k je ve tvaru ϕ j ϕ i. Použitím pravidla odloučení tedy dostaneme posloupnost ϕ 1,..., ϕ j ϕ i,..., ϕ j,..., ϕ m, ϕ i Formule ϕ je dokazatelná z T (T ϕ), pokud existuje důkaz ϕ z T. Pokud platí ϕ, potom říkáme, že ϕ je dokazatelná (z prázdného systému předpokladů). Základní principy Při dokazování lze využít následující vlastnosti dokazatelnosti (důkazy viz přednáška): Pro každou teorii T a libovolné formule ϕ, ψ platí: Jestliže T ϕ a T ϕ ψ, potom T ψ. Pro libovolnou formuli ϕ platí: ϕ ϕ (Monotonie dokazatelnosti, MD) Necht jsou T, S libovolné teorie a ϕ, ψ jsou formule. Potom platí: Pokud T ϕ a pro každou ψ T platí S ψ, potom S ϕ. Jednoduchý příklad užití: Předpokládejme, že pro nějakou teorii T a nějakou formuli ϕ máme T ϕ, potom z monotonie dokazatelnosti ihned dostáváme, že T, χ ϕ pro libovolnou formuli χ. Zdůvodnění: teorie S je v tomto případě S = T {χ} a evidentně pro libovolnou ψ T existuje důkaz z T, tím spíše bude existovat důkaz z S = T {χ}, tedy máme S ψ. Předpoklady věty jsou splněny, proto můžeme usoudit S ϕ. 2

3 (Věta o dedukci, VoD) Pro každou teorii T a libovolné formule ϕ, ψ platí: T ϕ ψ právě když T, ϕ ψ (Tranzitivita implikace, TI) Pro každou teorii T a libovolné formule ϕ, ψ, χ platí: Jestliže T ϕ ψ a T ψ χ, potom T ϕ χ. Důkazy tvrzení (a ), (b ) a (c ) Tvrzení (a ) Pro libovolné formule ϕ, ψ platí: ϕ (ϕ ψ) Důkaz (a ) Necht jsou ϕ, ψ libovolné formule. Potom 1. ϕ ( ψ ϕ) (A1) 2. ( ψ ϕ) (ϕ ψ) (A3) 3. ϕ (ϕ ψ) (TI) z kroků 1. a 2. Vysvětlení důkazu (a ) Jelikož jsme předpokládali, že ϕ a ψ jsou formule, potom z definice jsou formulemi i ϕ a ψ. Evidentně i ϕ ( ψ ϕ) je formule. Navíc je tato formule ve tvaru axiomového schématu (A1), jedná se tedy o axiom VL. Obdobně pak pro formuli z druhého kroku, jež je ve tvaru axiomového schématu (A3). Nenechte se zmást, že se v definici axiomových schémat vyskytují symboly ϕ, ψ atd. Jedná se o zástupné symboly, které pomáhají znázornit strukturu axiomového schématu. Namísto těchto symbolů si můžete představit např. symboly A, B, atd. Pokud za každý takový symbol dosadíme libovolnou formuli (za stejný symbol stejnou formuli), dostaneme axiom VL. 3

4 Následující diagram znázorňuje, jak byl vytvořen axiom, který se vyskytuje v prvním kroku důkazu. Axiomové schéma 1 A (B A) Axiom VL ϕ ( ψ ϕ) Všimněte si, že za symbol A byla na obou místech dosazena stejná formule ϕ, za symbol B potom ψ. Stejným způsobem obdržíme axiom ve druhém kroku, pouze využijeme axiomové schéma 3: Axiomové schéma 3 ( B A) (A B) Axiom VL ( ψ ϕ) (ϕ ψ) Nyní jsme za symbol A dosadili formuli ϕ a za symbol B formuli ψ. Třetí krok důkazu kombinuje předchozí dva kroky užitím tranzitivity implikace. Tranzitivita implikace říká, že pro každou teorii T a libovolné formule ϕ, ψ, χ platí 1 : Jestliže T ϕ ψ a T ψ χ, potom T ϕ χ. V našem konkrétním případu máme T =, ϕ = ϕ, ψ = ( ψ ϕ), χ = (ϕ ψ) a tedy jestliže potom platí ϕ ( ψ ϕ) a ( ψ ϕ) (ϕ ψ) ϕ (ϕ ψ) Z kroků 1. a 2. ale vidíme, že platí jak ϕ ( ψ ϕ), tak i ( ψ ϕ) (ϕ ψ). Takže můžeme z tranzitivity implikace usoudit, že ϕ (ϕ ψ), což jsme chtěli dokázat. Navíc jsme předpokládali, že ϕ a ψ jsou libovolné formule, čehož vzápětí využijeme při důkazu tvrzení (b ). 1 Formule byly přeznačeny, aby nekolidovaly s formulemi, které se vyskytují v důkazu. 4

5 Tvrzení (b ) Pro libovolnou formuli ϕ platí: ϕ ϕ Důkaz (b ) Necht je ϕ libovolná formule. Potom 1. ϕ ( ϕ ϕ) (a ) 2. ϕ ϕ ϕ (VoD) z 1. kroku 3. ( ϕ ϕ) ( ϕ ϕ) (A3) 4. ϕ ( ϕ ϕ) ( ϕ ϕ) (MD) z 3. kroku 5. ϕ ϕ ϕ (MP) z 2. a 4. kroku 6. ϕ ϕ (VoD) z 5. kroku 7. ϕ ϕ (VoD) z 6. kroku Vysvětlení důkazu (b ) Jelikož je princip podobný, rozebereme jen některé kroky. K prvnímu kroku: Z (a ) víme, že pro libovolné formule ϕ, ψ platí ϕ (ϕ ψ ) Fakt z 1. kroku získáme, pokud položíme ϕ = ϕ a ψ = ϕ. V 5. kroku jsme zjistili, že ϕ ϕ ϕ. Jinými slovy, z teorie { ϕ} je dokazatelná formule ϕ ϕ. V 6. kroku využijeme větu o dedukci na 5. krok: obohatíme teorii z 5. kroku, tj. teorii { ϕ}, o formuli ϕ a z takto obohacené teorie je potom podle věty o dedukci dokazatelná formule ϕ. Nicméně teorie je množina formulí, obohacená teorie je tedy ve tvaru { ϕ} { ϕ} = { ϕ}. Odtud je již zřejmý 6. krok. 5

6 Tvrzení (c ) Pro libovolnou formuli ϕ platí: ϕ ϕ Důkaz (c ) Necht je ϕ libovolná formule. Potom 1. ϕ ϕ (b ) 2. ( ϕ ϕ) (ϕ ϕ) (A3) 3. ϕ ϕ (MP) z 1. a 2. kroku 6