Ch1 命题逻辑基本概念

命题

命题 是一个 非真即假陈述句。凡与事实相符的陈述句为真语句,而与事实不符的陈述句为假语句。因为只有两种取值,所以这样的命题逻辑称为 二值逻辑


命题变项(变元)

用大写字母表示命题变项。命题与命题变项含义是不同的,命题指具体的陈述句,是有确定的真值,而命题变项的真值不定,只当将某个具体命题代入命题变项时,命题变项化为命题,方可确定其真值。


命题的分类

简单命题又称原子命题,它是不包含任何的与、或、非一类联结词的命题。这样的命题不可再分割,如再分割就不是命题了。

雪是白的

把一个或几个简单命题用联结词(如与、或、非)联结所构成的新的命题称为复合命题,也称为分子命题。复合命题自然也是陈述句,其真值依赖于构成该复合命题的各简单命题的真值以及联结词,从而复合命题有确定的真值。

雪是白的而且1+1=2

数理逻辑不关心内容,也就是这些具体的陈述句的真值究竟为什么。主要关心推理。

命题联结词及真值表

常用的联结词:

¬

否定词¬”是个一元联结词,亦称否定符号。一个命题 P 加上否定词就形成了一个新的命题,记作 ¬P,这个新命题是命题的否定,读作非 P

否定词的真值规定如下:若命题 P 的真值为真,那么 ¬P 的真值就为假;若 P 的真值为假,那么 ¬P 的真值就为真。

真值表

P¬P
TF
FT

合取词”是个二元命题联结词,亦称合取符号。将两个命题 P,Q 联结起来,构成一个新的命题 PQ,读作 P,Q 的合取,也可读作 PQ

PQPQ
TTT
TFF
FTF
FFF

析取词”是个二元命题联结词,亦称析取符号。将两个命题 P,Q 联结起来,构成一个新的命题 PQ,读作 P,Q 的析取,也读作 PQ

PQPQ
TTT
TFT
FTT
FFF

蕴涵词”也是个二元命题联结词,亦称推断符号。将两个命题 P,Q 联结起来,构成一个新的命题 PQ,读作如果 PQ,或读作 P 蕴涵 Q,如果 P 那么 Q,其中 P 称前件(前项、条件),Q 称后件(后项、结论)

PQPQ
TTT
TFF
FTT
FFT

规定只有当 PTQF 时,PQ=F,而 P=FQ 任意,或 P=TQ=T 时,PQ 均取值为 T

PQ=¬PQ

(¬,) 是完备的命题联结词集合。

双条件词”同样是个二元命题联结词,亦称等价符号。将两个命题 P,Q 联结起来构成新命题 PQ,读作 P 当且仅当 Q,或读作 P 等价于 Q.

PQPQ
TTT
TFF
FTF
FFT
(PQ)(QP)=PQ

异或(半加)¯:P¯Q=(¬PQ)(P¬Q)

与非 ↑:PQ=¬(PQ)

或非 ↓:PQ=¬(PQ)

合式公式

合式公式(简记为 Wff, well-formed formula)是将符号用命题联结词连接起来形成的公式。

优先级从高到低:¬.

三类公式

重言式 全真。

可满足式 可以为真。

矛盾式 全假。

三类公式间的关系

永真属于可满足,但是可满足和永假没有交集

置换规则

为保证重言式经代入规则仍得到保持,要求:

例如,不能用 P 代替 Q¬Q,而且代入必去代入全部的。可以用 PQ 代替 R,如:

R¬R(PQ)¬(PQ)

Q: 判断 (PQ)¬(PQ) 为重言式?不难判断 A¬A 为重言式,进行代替即可。

命题形式化

如何将自然语句化成逻辑语言?

简单自然语句的形式化

自然语言合式公式
……是……P
……不是……¬P
既……又……PQ
如果……,那么……PQ
……,但是……PQ

较复杂自然语句的形式化

自然语言合式公式
……或……都能……PQ
……或……(两者不能同时发生)PQ
……,除非……¬PQ

特例:

波兰表达式

如果直接采用中缀式,计算机处理时需要经常从左到右,从右到左读取。

前缀式也被称为波兰式,以波兰式表达的公式,由计算机识别处理的过程,当自右向左扫描时可以一次完成,避免了重复扫描。同样后辍表示(逆波兰式)也有同样的优点,而且自左向右一次扫描(看起来更合理)便可识别处理一个公式,很是方便,常为计算机的程序系统所采用。

例如:(P(QR))(ST).

前缀式(波兰式):PQRST.

后缀式(逆波兰式):PQRST.

Ch2 命题逻辑等值和推理演算

等值

推理形式和推理验算是数理逻辑研究的基本内容。

等值的定义

给定两个命题公式 AB,而 P1,,Pn 是出现于 AB 中的所有命题变项,那么公式 AB 共有 2n 个解释,若在其中的任一解释下,公式 AB 的真值都相等,就称 AB等值的(或称等价),记作 A=BAB

等值定理

对公式 ABA=B 的充分必要条件是 AB 是重言式。

证明:

注意区分 A=BAB.

证明等值的思路

等值的性质

Problem 论域是所有合式公式组成的集合,证明 R={A,BAB} 是等价关系。

利用 A=B 的充分必要条件是 AB.

基本等值公式(命题定律)

我们可以使用 Venn 图进行理解。

常用等值公式

置换规则

对公式 A 的子公式,用与之 等值 的公式代换称为 置换,公式置换后,A 化为公式 B,必有 A=B

联结词的完备集

Definition(联结词的完备集) 如果对任一命题公式都有由 C 中的联结词表示出来的公式与之等值,就说 C 是完备的联结词集合,或说 C 是联结词的完备集

完备

包含上述集合的任意联结词集合都是完备集。

不完备

如果一个联结词的集合是不完备的,那么它的任何子集都是不完备的。因此,上述集合的子集都不是完备的。

对偶式

A 中出现的 ,,T,F 分别以 ,,F,T 代换,得到公式 A,则称 AA 的对偶式,或说 AA 互为对偶式

假定只出现 ¬,, 三个联结词。

为方便,若 A=A(P1,,Pn),令 A 的内否式 A=A(¬P1,,¬Pn)


命题公式 PQR 的对偶式为?

先把 转换:

¬P(QR)

再进行替换。

范式

范式是一种标准形式,例如椭圆的范式 x2a2+y2b2=1.

相关概念

范式定理

任一命题公式都存在与之等值的合取范式和析取范式(注:不唯一)

求范式的步骤

对一个已给的公式,可按下述步骤求得该公式的合取范式和析取范式

  1. 按照等值公式,消去已给公式中的联结词

  2. 重复使用摩根律和双重否定律,把否定词内移到直接作用于命题变项上。这可利用等值式:将所有的否定词,都内移到命题变项前,这也是范式的要求

  3. 重复使用分配律。这可利用等值式:将公式化成一些合取式的析取,或化成一些析取式的合取,都必须使用分配律来实现

范式功能

主范式

主析取范式

n 个命题变项(原子命题) P1,,Pn 来说,所组成的公式

其中 Qi=Pi¬Pi(i=1,,n),则称 Q1Qn极小项,并以 mi 表示。极小项必须含有 Q1,,Qn 全部 n 个文字。仅由极小项构成的析取式为主析取范式

任一含有 n 个命题变项的公式,都有唯一的一个与之等值的恰仅含这 n 个命题变项的主析取范式

求解步骤

  1. 求出该公式对应的析取范式

  2. 消去重复出现的命题变元,重言式,矛盾式

  3. 在析取范式的所有短语中补齐全部命题变元

  4. 用幂等律(AA=A)消去重复的极小项,用交换律调整顺序


展开 ¬PQ

等于:

(¬P(Q¬Q))(Q(P¬P))=(¬PQ)(¬P¬Q)(QP)(Q¬P)=

 

极小项的性质

主合取范式

n 个命题变项 P1,,Pn 所组成的公式

其中 Qi=Pi¬Pi(i=1,,n),则称 Q1Qn极大项,并以 Mi 表示。极大项必须含有 Q1Qn 全部 n 个文字。仅由极大项构成的合取式为主合取范式

任一含有 n 个命题变项的公式,都有唯一的一个与之等值的恰仅含这 n 个命题变项的主合取范式.

求解步骤

  1. 求出该公式对应的合取范式

  2. 消去重复出现的命题变元,重言式,永真式

  3. 在合取范式的所有子句中补齐命题变元

  4. 用幂等律(AA=A)消去重复的极大项,用交换律调整顺序

极大项的性质

¬P 看成 0P 看成 1,按变项的字典序连起来形成一个二进制数 x


写成主合取范式:(PQ)R. 将 用合取范式的形式展开:

=((PQ)¬R)(¬P¬QR)=(P¬R)(Q¬R)(¬P¬QR)=(P¬R(Q¬Q)0)(Q¬R(P¬P)0)(¬P¬QR)=(P¬RQ)(P¬R¬Q)(Q¬RP)(Q¬R¬P)(¬P¬QR)=(P¬R¬Q)(Q¬RP)(Q¬R¬P)(¬P¬QR)

推理

引入:


正确的推理形式:

永真蕴含

如果给定两个公式 A,B,只要 A 取值为真,B 就必取值为真,便称 A 重言(永真)蕴涵 B,或称 BA逻辑推论,并用符号 AB 表示。

用真值表表示的话,就是 A 取真的情况 B 必然取真。以韦恩图的形式表示,就是 AB.

性质

推理演算法

因为只有可能 P=1,Q=0 的时候式子成立……

只要 P=0Q=1PQ 都能成立。

三段论

构造性二难(特殊形式)

构造性二难

证明推理公式的方法

推理规则

例题:证明 RPQ,QR,P 的逻辑推论。还可以对命题变项采用代入规则。

  1. P 前提引入。

  2. PQ 前提引入。

  3. QR 前提引入。

  4. Q (1. 2. 分离)

  5. R (3. 4. 分离)

例题:证明 (PQ)(PR)(QS)SR.

  1. ¬PQ (置换)

  2. QS

  3. ¬PS(三段论)

  4. PR(三段论)

  5. ¬SP(3 置换)

  6. ¬SR(三段论)

  7. SR(6 置换)

例题:证明 (P(QS))(¬RP)QRS. 引入前提 R,则 P 必须成立,…… 推出 S 成立。

例题:证明 (¬(PQ)¬(RS))((QP)¬R)R(PQ).

R 成立,则 QP 成立,前面转化为逆否命题 (RS)(PQ),前提为真,因此 PQ 成立,两条件结合在一起,则 PQ.

归结推理法

归结证明过程 是找矛盾的过程。

  1. 为证明 AB(可称作定理)是重言式,则 等价于证明 A¬B 是矛盾式(不可能 A=1,B=0)。使用归结证明法,就是从 A¬B 出发。

  2. 建立子句集 S A¬B 化成 合取范式,进而将所有子句(析取式)构成子句集合即以集合来描述这合取范式

  3. S 作归结 进而对 S 的子句作归结(消互补对),如子句 PR¬P¬Q 作归结,得归结式 R¬Q,并将这归结式仍放入 S 中。重复这过程。

  4. 直到推出矛盾式。

例如,证明 ((PQ)(QR))(PR).

先化为合取范式:(PQ)(QR)¬(PR)=(¬PQ)(¬QR)P¬R.

则子句集 S={¬PQ,¬QR,P,¬R}.

  1. 归结 P,¬PQ,得到 Q.

  2. 归结 ¬R,¬QR,得到 ¬Q.

  3. 归结 Q,¬Q,得到矛盾