Rachunek predykatów pierwszego rzędu
Z Wikipedii
Rachunek predykatów pierwszego rzędu – (ang. first order predicate calculus) to system logiczny, w którym kwantyfikatory mogą mówić tylko o obiektach, nie zaś o ich zbiorach. Tak więc nie mogą występować kwantyfikatory typu "dla każdej funkcji z X na Y ...", "istnieje własność p, taka że ..." czy "dla każdego podzbioru X zbioru Z ...". Rachunek ten nazywa się też krótko rachunkiem kwantyfikatorów, ale często używa się też nazwy logika pierwszego rzędu (szczególnie wśród matematyków zajmujących się logiką matematyczną).
Rachunek predykatów pierwszego rzędu jest nierozstrzygalny (w przeciwieństwie do rachunku zdań), ale jeszcze nadaje się do komputerowej analizy (co już niekoniecznie można powiedzieć o rachunku predykatów wyższych rzędów, które dopuszczają kwantyfikatory dla zbiorów).
Znaczna część rozważań matematycznych może być sformalizowana na gruncie logiki pierwszego rzędu. Ponadto logika ta ma wiele własności czyniących ją bardziej użyteczną od innych logik, co ma wpływ na pewne preferowanie teorii formalizowalnych na jej gruncie.
W literaturze istnieje szereg równoważnych rozwinięć tego tematu. Prezentacja przedstawiona poniżej jest do pewnego stopnia oparta o książkę Martina Goldsterna i Haima Judaha[1]. Wśród innych źródeł omawiających te zagadnienia należy wymienić podręcznik Witolda Pogorzelskiego[2] czy też książkę Zofii Adamowicz i Pawła Zbierskiego[3]. Bardzo popularnym jest też opracowanie Josepha Shoenfielda[4].
Spis treści |
[edytuj] Wstęp do formalizacji
Logika pierwszego rzędu jest podstawą na której formalizujemy większość matematyki. We wstępie do wspomnianej powyżej książki Goldsterna i Judaha traktującej właśnie o tej tematyce, Saharon Shelah napisał:
- [Na gruncie matematyki] możemy zdefiniować czym jest dowód i wykazać że w pewnym sensie "być prawdziwym" i "mieć dowód" znaczą to samo (twierdzenie Gödla o zupełności). (...) Nie możemy wyciągnąć sami siebie z bagna za włosy: nie możemy udowodnić w naszym systemie, że nie ma w nim sprzeczności (twierdzenie Gödla o niezupełności) (...) Możemy zbudować ogólną teorię teorii matematycznych (teoria modeli).
Czym jest system rachunku predykatów pierwszego rzędu? Składa się on z:
- zmiennych nazwowych (litery, za które wolno podstawić nazwy dowolnych przedmiotów)
- stałych nazwowych (nazwy własne przedmiotów)
- liter predykatowych (predykaty)
- symboli funkcyjnych (funktory nazwotwórcze od argumentów nazwowych)
- stałych logicznych (spójniki prawdziwościowe rachunku zdań i kwantyfikatory)
- znaków pomocniczych (nawiasy)
- symbolu równości.
Używając symboli wymienionych powyżej i przestrzegając naturalnych reguł możemy budować poprawnie zbudowane napisy. Niektóre z tych napisów mogą być interpretowane jako nazwy na pewne obiekty, a inne będą mówić o własnościach tych obiektów. Pierwsza grupa napisów poprawnie zbudowanych to termy, a druga to zdania. Przykładowy schemat kwantyfikatorowy zdania: Nie ma czegoś, czym ciekawią się wszyscy...

(czyt.: Nie istnieje taki x, że x jest substratem wiedzy, i dla każdego y, że jeżeli y jest istotą rozumną, to y ciekawi się x.)
Następnie ustalimy reguły wnioskowania a także metody interpretacji naszych napisów.
[edytuj] Formalizacja języka 
Każdy język pierwszego rzędu jest zdeterminowany przez ustalenie alfabetu.
Niech τ będzie pewnym zbiorem stałych, symboli funkcyjnych i symboli relacyjnych (predykatów). Każdy z tych symboli ma jednoznacznie określony charakter (tzn wiadomo czy jest to stała, czy symbol funkcyjny czy też predykat) i każdy z symboli funkcyjnych i predykatów ma określoną arność (która jest dodatnią liczbą całkowitą). Zbiór τ będzie nazywany alfabetem naszego języka, a sam język wyznaczony przez ten alfabet będzie oznaczany przez
. Ustalmy też nieskończoną listę zmiennych (zwykle
).
Najpierw definiujemy termy języka
jako elementy najmniejszego zbioru
takiego, że:
- wszystkie stałe i zmienne należą do
, - jeśli
i
jest n-arnym symbolem funkcyjnym, to
.
Następnie określamy zbiór formuł języka
jako najmniejszy zbiór
taki, że:
- jeśli
, to wyrażenie t1 = t2 należy do
, - jeśli
zaś
jest n-arnym symbolem relacyjnym, to wyrażenie
należy do
, - jeśli
i * jest binarnym spójnikiem zdaniowym (alternatywą
, koniunkcją
, implikacją
lub równoważnością
), to
oraz
, - jeśli xi jest zmienną oraz
, to także
i
.
W formułach postaci
i
mówimy że zmienna xi znajduje się w zasięgu kwantyfikatora i jako taka jest związana. Przez indukcję po złożoności formuł, rozszerzamy to pojęcie na wszystkie formuły w których
czy też
pojawia się jako jedna z części użytych w budowie, ale ograniczamy się do występowań zmiennej xi w
(i mówimy że konkretne wystąpienie zmiennej jest wolne lub związane).
Zdanie w języku pierwszego rzędu
to taka formuła, w której każda zmienna jest związana, czyli znajduje się w zasięgu działania jakiegoś kwantyfikatora.
[edytuj] Przykłady
- Język teorii mnogości to
gdzie
jest binarnym symbolem relacyjnym. - Język teorii grup to
gdzie * jest binarnym symbolem funkcyjnym. - Język ciał uporządkowanych to
gdzie
są binarnymi symbolami funkcyjnymi a
jest binarnym symbolem relacyjnym.
[edytuj] Dowody w językach pierwszego rzędu
Ustalmy alfabet τ (tak więc jest to zbiór złożony ze stałych, symboli funkcyjnych i symboli relacyjnych).
[edytuj] Podstawienia termów za zmienne
Przypuśćmy, że t i s są termami języka
oraz x1 jest jedną ze zmiennych. Definiujemy podstawienie s(x1 / t) jako term który jest otrzymany z s przez zastąpienie wszystkich wystąpień zmiennej x1 w s przez t.
Podobnie, dla termu t i formuły
języka
oraz zmiennej x1 określamy podstawienie
jako taką formulę, która jest otrzymana z
przez zastąpienie wszystkich wystąpień zmiennej x1 w
przez term t. Powiemy, że term t może być podstawiony za zmienną x1 w
jeśli po podstawieniu, żadna ze zmiennych wolnych w t nie znalazła się w zasięgu kwantyfikatora wiążącego ją.
[edytuj] Przykłady
Rozważmy język ciał uporządkowanych
. Niech termy t,s,u bedą, odpowiednio 0 + x1 + x2,
oraz
. Rozważmy formułę
. Wówczas
- s(x1 / t) to term
, - s(x1 / u) to term
,
to formuła
i term t może być podstawiony za zmienną x1 w
,
to formuła
i term u nie może być podstawiony za zmienną x3 w
.
[edytuj] Aksjomaty logiczne
Formuły następujących typów będą nazywane aksjomatami czystymi:
- podstawienia formuł do tautologii rachunku zdań,
- formuły postaci
(gdzie
to formuły), - formuły postaci
, gdzie term t może być podstawiony za zmienną xi w
, - formuły postaci
gdzie zmienna xi nie jest wolna w formule
, - formuły postaci
-
- x = x,
i
,
- gdzie x,y,z są (niekoniecznie różnymi) zmiennymi,
- formuły postaci
-
,
- gdzie
są zmiennymi a
jest k-arnym symbolem relacyjnym,
- formuły postaci
-
,
- gdzie
są zmiennymi a
jest k-arnym symbolem funkcyjnym.
Aksjomaty czyste i formuły postaci
, gdzie
jest aksjomatem czystym, są nazywane aksjomatami logicznymi.
[edytuj] Reguła wnioskowania
Jeśli
są formułami języka
, oraz φ1 jest postaci
to powiemy, że formuła ψ może być wywnioskowana z
w oparciu o regułę modus ponens.
[edytuj] Dowód
Niech
będzie jakimś zbiorem formuł języka
(możliwie pustym). Dowodem ze zbioru aksjomatów A nazywamy skończony ciąg formuł
taki, że dla każdego
,
jest jedną z formuł z A, lub
jest aksjomatem logicznym, lub
może być wywnioskowana z
w oparciu o regułę modus ponens. dla pewnych k,l.
Jeśli
jest dowodem ze zbioru aksjomatów A, to powiemy że formuła
jest dowodliwa z A albo też że
jest twierdzeniem z A i napiszemy wtedy
. Jeśli A jest zbiorem pustym to możemy pominąć je w naszych oznaczeniach i napisać
.
Powiemy, że A jest sprzecznym zbiorem aksjomatów, jeśli dla pewnej formuły
mamy zarówno że
jak i
. W przeciwnym razie mówimy, że A jest niesprzeczny.
[edytuj] Podstawowe własności
Niech
będzie jakimś zbiorem formuł języka
oraz niech
będą formułami tegoż języka.
- Twierdzenie o dedukcji:
wtedy i tylko wtedy gdy
. - Twierdzenie o uogólnianiu: Jeśli zmienna x nie pojawia się jako zmienna wolna żadnej z formuł w A oraz
, to
. - Twierdzenie o wprowadzeniu kwantyfikatora
:
- (1) Przypuśćmy że term t może być podstawiony za zmienną x w ψ. Jeśli
, to
. - (2) Przypuśćmy że zmienna x nie jest wolna w ψ ani w żadnej z formuł w zbiorze A. Jeśli
, to
.
- Twierdzenie o wprowadzeniu kwantyfikatora
:
- (1) Przypuśćmy że term t może być podstawiony za zmienną x w
. Jeśli
, to
. - (2) Przypuśćmy że zmienna x nie jest wolna w ψ ani w żadnej z formuł w zbiorze A. Jeśli
, to
.
- Twierdzenie o zwartości I: zbiór zdań A jest niesprzeczny wtedy i tylko wtedy gdy każdy jego podzbiór skończony jest niesprzeczny.
[edytuj] Interpretacje (modele) języka pierwszego rzędu
Ustalmy alfabet τ, ponadto ustalmy że Sτ jest zbiorem stałych tego alfabetu, Fτ jest zbiorem symboli funkcyjnych a Rτ to zbiór symboli relacyjnych.
[edytuj] Modele
Interpretacją lub modelem języka
nazywamy układ

gdzie
- M jest niepustym zbiorem zwanym dziedziną lub uniwersum modelu
(często uniwersum modelu
oznacza się przez
), - dla n-arnego symbolu relacyjnego
,
jest n-argumentową relacją na zbiorze M, tzn.
, - dla n-arnego symbolu funkcyjnego
,
jest n-argumentowym działaniem na zbiorze M, tzn.
, - dla stałej
,
jest elementem zbioru M.
[edytuj] Interpretacja termów w modelu
Przez indukcję po złożoności termów języka
definiujemy interpretację termu w modelu
. Dla termu
o zmiennych wolnych zawartych wśród
i dla elementów
uniwersum modelu
wprowadzamy
następująco.
- Jeśli t jest stałą c alfabetu τ, to
. - Jeśli t jest zmienną xi, to
. - Jeśli
i
jest k-arnym symbolem funkcyjnym, to
.
[edytuj] Relacja spełniania w modelu
Przez indukcję po złożoności formuł języka
definiujemy kiedy formuła jest spełniona w modelu
. Dla formuły
o zmiennych wolnych zawartych wśród
i elementów
uniwersum modelu
wprowadzamy relację
(czyt. "formuła
jest spełniona w modelu
na elementach
") następująco.
- Jeśli φ jest formułą t1 = t2 dla pewnych termów
których zmienne wolne są zawarte wśród
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy elementy
i
zbioru M są identyczne. - Jeśli φ jest formułą
dla pewnych termów
których zmienne wolne są zawarte wśród
i k-arnego symbolu relacyjnego
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy elementy
. - Jeśli φ jest formułą
dla pewnych formuł
których zmienne wolne są zawarte wśród
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy
oraz
. - Jeśli φ jest formułą
dla pewnych formuł
których zmienne wolne są zawarte wśród
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy
lub
. - Jeśli φ jest formułą
dla pewnych formuł
których zmienne wolne są zawarte wśród
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy
lub nie zachodzi że
. - Jeśli φ jest formułą
dla pewnych formuł
których zmienne wolne są zawarte wśród
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy albo oba zdania
i
są prawdziwe, albo oba są fałszywe. - Jeśli φ jest formułą
dla pewnej formuły
której zmienne wolne są zawarte wśród
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy zdanie
jest fałszywe. - Jeśli φ jest formułą
dla pewnej formuły
której zmienne wolne są zawarte wśród
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy zdanie
jest prawdziwe dla każdego ciągu
elementów uniwersum M takich, że
oraz
ilekroć xi jest zmienną wolną w φ. - Jeśli φ jest formułą
dla pewnej formuły
której zmienne wolne są zawarte wśród
, to stwierdzimy że
jest prawdziwe wtedy i tylko wtedy gdy dla pewnego ciągu
elementów uniwersum M takich, że
oraz
ilekroć xi jest zmienną wolną w φ mamy, że
.
[edytuj] Podstawowe własności
- Twierdzenie o zupełności: zbiór zdań A jest niesprzeczny wtedy i tylko wtedy gdy ma on model (tzn jest spełniony w pewnym modelu języka
. - Twierdzenie o zwartości II: zbiór zdań A ma model wtedy i tylko wtedy gdy każdy jego podzbiór skończony jest ma model.
[edytuj] Zobacz też
- przegląd zagadnień z zakresu logiki
- przegląd zagadnień z zakresu matematyki
- forma preneksowa
- skolemizacja
- term
- twierdzenie Gödla
- twierdzenie Herbranda
- twierdzenie Craiga.
[edytuj] Bibliografia
- ↑ Martin Goldstern; Haim Judah: The Incompleteness Phenomenon. A new course in mathematical logic. A K Peters, Wellesley, Massachusetts, 1995. ISBN 1-56881-029-6
- ↑ Witold A. Pogorzelski: Klasyczny rachunek kwantyfikatorów, zarys teorii, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1981. ISBN 83-01-00567-X
- ↑ Zofia Adamowicz; Paweł Zbierski: Logic of mathematics. A modern course of classical logic. "Pure and Applied Mathematics" (New York). A Wiley-Interscience Publication. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997. ISBN 0-471-06026-7.
- ↑ Joseph R. Shoenfield: Mathematical Logic, Association for Symbolic Logic, 1967. ISBN 1-56881-135-7.
| Finał Polskiej Ligi Karate Tradycyjnego: Niewczas i Wójcik najlepsi |
|
Marta Niewczas (AKT Rzeszów) i Łukasz Wójcik (Kluczborski KK) zajęli pierwsze miejsca w końcowej klasyfikacji Polskiej Ligi Karate Tradycyjnego 2008. Trzeci finałowy turniej, w którym triumfowali Niewczas i Paweł Janusz (MKS Spartakus Niepołomice), odbył się w sobotę na Rynku Manufaktury w Łodzi.
|
| El. MŚ: "król" strzelił - mistrzowie wygrali |
|
Mistrzowie Europy - Hiszpanie pokonali 1:0 (0:0) Bośnię i Hercegowinę w rozegranym w Murcji spotkaniu grupy 5. eliminacji piłkarskich mistrzostw świata, których finały odbędą się w 2010 roku na boiskach Republiki Południowej Afryki.
|
| Towarzysko: Holandia przegrała z Australią |
|
W towarzyskim meczu piłkarskim rozegranym w Eindhoven Australia pokonała Holandię 2:1 (0:1).
|
| Tatera: pełen stadion, wzruszające otwarcie |
|
Na wypełnionym do ostatniego miejsca (91 tys.) Stadionie Narodowym w Pekinie odbyła się w sobotę uroczystość otwarcia XIII Paraolimpiady. Według opinii attache olimpijskiego polskiej ekipy Janusza Tatery ta ceremonia była bardziej wzruszająca od tej z 8 sierpnia, kiedy to zapłonął znicz Igrzysk XXIX Olimpiady.
|
| Kubacki zwycięzcą sobotniego Pucharu Solidarności |
|
Dawid Kubacki wygrał w sobotę w Zakopanem drugie międzynarodowe zawody w skokach narciarskich na igielicie o Puchar "Solidarności".
|