Векторная логика
Векторная логика [1] [2] — алгебраическая модель элементарной логики, основанная на матричной алгебре . Векторная логика предполагает, что значения истинности отображаются на векторах и что монадические и диадические операции выполняются матричными операторами. «Векторная логика» также использовалась для обозначения представления классической логики высказываний в виде векторного пространства . [3] [4] в которых единичные векторы являются пропозициональными переменными . Логику предикатов можно представить как однотипное векторное пространство, в котором оси представляют буквы предикатов. и . [5] В векторном пространстве логики высказываний начало представляет ложное F, а бесконечная периферия представляет истинное T, тогда как в пространстве логики предикатов начало представляет «ничто», а периферия представляет бегство из ничего или «нечто». ".
Обзор
[ редактировать ]Классическая бинарная логика представлена небольшим набором математических функций, зависящих от одной (монадической) или двух (диадических) переменных. В двоичном наборе значение 1 соответствует true , а значение 0 — false . Двузначная векторная логика требует соответствия между истинностными значениями true (t) и false (f) и двумя q -мерными нормализованными с действительными значениями векторами-столбцами s и n , следовательно:
- и
(где — произвольное натуральное число, а «нормализованный» означает, что длина вектора равна 1; обычно s и n — ортогональные векторы). Это соответствие порождает пространство векторных значений истинности: V 2 = { s , n }. Основные логические операции, определенные с использованием этого набора векторов, приводят к матричным операторам.
Операции векторной логики основаны на скалярном произведении - мерных q векторов-столбцов: : ортонормальность между векторами s и n означает, что если , и если , где .
Монадические операторы
[ редактировать ]Монадические операторы являются результатом применения , а связанные матрицы имеют q строк и q столбцов. Два основных монадических оператора для этой двузначной векторной логики — это тождество и отрицание :
- Идентичность : логический идентификатор идентификации ( p ) представлен матрицей . Эта матрица работает следующим образом: Ip = p , p ∈ V 2 ; из-за ортогональности s относительно n мы имеем и аналогично . Важно отметить, что эта единичная матрица векторной логики обычно не является единичной матрицей в смысле матричной алгебры.
- Отрицание : логическое отрицание ¬ p представлено матрицей Следовательно, Ns = n и Nn = s . Инволютивное p поведение логического отрицания, а именно то, что ¬(¬ ) равно p , соответствует тому факту, что N 2 = Я.
Диадические операторы
[ редактировать ]16 двузначных диадических операторов соответствуют функциям типа ; двоичные матрицы имеют q 2 строк и q столбцов.Матрицы, выполняющие эти диадические операции, основаны на свойствах произведения Кронекера . Два свойства этого произведения существенны для формализма векторной логики:
- Смешанное свойство продукта
Если A , B , C и D — матрицы такого размера, что можно образовать матричные произведения AC и BD , то
- Дистрибутивное транспонирование. Операция транспонирования является дистрибутивной по произведению Кронекера:
Используя эти свойства, можно получить выражения для функций диадической логики:
- Соединение . Соединение ( p ∧ q ) выполняется матрицей, которая действует на два векторных значения истинности: .Эта матрица воспроизводит особенности классической таблицы истинности конъюнкции в ее формулировке:
- и проверяет
- и
- Дизъюнкция . Дизъюнкция ( p ∨ q ) осуществляется матрицей
- в результате чего
- и
- Импликация . Импликация соответствует в классической логике выражению p → q ≡ ¬ p ∨ q . Версия этой эквивалентности с векторной логикой приводит к матрице, которая представляет это импликацию в векторной логике: . Явное выражение этой импликации таково:
- и выполняются свойства классической импликации:
- и
- Эквивалентность и эксклюзивность или . В векторной логике эквивалентность p ≡ q представляется следующей матрицей:
- с
- и
- Исключительное или является отрицанием эквивалентности, ¬( p ≡ q ); это соответствует матрице данный
- с и
Матрицы S и P соответствуют операциям Шеффера (NAND) и Пирса (NOR) соответственно:
Числовые примеры
[ редактировать ]Вот численные примеры некоторых основных логических элементов, реализованных в виде матриц для двух разных наборов двумерных ортонормированных векторов для s и n .
Набор 1 :
В этом случае тождественными и отрицательными операторами являются тождественная и антидиагональная тождественные матрицы:
а матрицы конъюнкции, дизъюнкции и импликации имеют вид
соответственно.
Набор 2 :
Здесь единичный оператор является единичной матрицей, но оператор отрицания больше не является антидиагональной единичной матрицей:
Результирующие матрицы конъюнкции, дизъюнкции и импликации:
соответственно.
Закон де Моргана
[ редактировать ]В двузначной логике операции конъюнкции и дизъюнкции удовлетворяют закону Де Моргана : p ∧ q ≡¬(¬ p ∨¬ q ) и двойственному ему закону: p ∨ q ≡¬(¬ p ∧¬ q )). Для двузначной векторной логики этот закон также проверяется:
- , где u и v — два логических вектора.
Произведение Кронекера подразумевает следующую факторизацию:
Тогда можно доказать, что в двумерной векторной логике закон Де Моргана является законом, касающимся операторов, а не только законом, касающимся операций: [6]
Закон противопоставления
[ редактировать ]В классическом исчислении высказываний закон противопоставления p → q ≡ ¬ q → ¬ p доказывается, поскольку эквивалентность справедлива для всех возможных комбинаций истинностных значений p и q . [7] Вместо этого в векторной логике закон противопоставления возникает из цепочки равенств в рамках правил матричной алгебры и произведений Кронекера, как показано ниже:
Этот результат основан на том факте, что D , матрица дизъюнкции, представляет собой коммутативную операцию.
Многозначная двумерная логика
[ редактировать ]Многозначная логика была разработана многими исследователями, в частности Яном Лукасевичем , и позволяет расширять логические операции на истинностные значения, включающие неопределенности. [8] В случае двузначной векторной логики неопределенности в значениях истинности могут быть введены с использованием векторов с s и n, взвешенными по вероятностям.
Позволять , с быть такого рода «вероятностными» векторами. Здесь многозначный характер логики вводится апостериорно через неопределенности, вносимые во входные данные. [1]
Скалярные проекции векторных выходов
[ редактировать ]Результаты этой многозначной логики можно проецировать на скалярные функции и генерировать особый класс вероятностной логики, схожей с многозначной логикой Райхенбаха. [9] [10] [11] Учитывая два вектора и и диадическая логическая матрица скалярно-вероятностная логика обеспечивается проекцией на вектор s :
Вот основные результаты этих прогнозов:
Соответствующие отрицания:
Если скалярные значения принадлежат множеству {0, 1 / 2 , 1} эта многозначная скалярная логика для многих операторов почти идентична 3-значной логике Лукасевича. Также было доказано, что когда монадические или диадические операторы действуют над вероятностными векторами, принадлежащими этому набору, выход также является элементом этого набора. [6]
Квадратный корень из НЕ
[ редактировать ]Этот оператор изначально был определен для кубитов в рамках квантовых вычислений . [12] [13] В векторной логике этот оператор можно расширить для произвольных ортонормированных значений истинности. [2] [14] На самом деле из НЕ есть два квадратных корня:
- , и
- ,
с . и являются комплексно-сопряженными: , и обратите внимание, что , и . Еще один интересный момент — аналогия с двумя квадратными корнями из -1. Положительный корень соответствует , и отрицательный корень соответствует ; как следствие, .
История
[ редактировать ]Ранние попытки использовать линейную алгебру для представления логических операций можно отнести к Пирсу и Копиловишу . [15] особенно в использовании логических матриц для интерпретации исчисления отношений .
Этот подход был вдохновлен моделями нейронных сетей , основанными на использовании многомерных матриц и векторов. [16] [17] Векторная логика представляет собой прямой перевод классических булевых многочленов в матрично-векторный формализм . [18] Этот вид формализма был применен для разработки нечеткой логики в терминах комплексных чисел . [19] Другие матричные и векторные подходы к логическому исчислению были разработаны в рамках квантовой физики , информатики и оптики . [20] [21]
Индийский известных биофизик Г. Н. Рамачандран разработал формализм с использованием алгебраических матриц и векторов для представления многих операций классической джайнской логики, как Сьяд и Саптбханги; см . индийскую логику . [22] Он требует независимых утвердительных доказательств для каждого утверждения в предложении и не делает предположения о бинарном дополнении.
Булевы полиномы
[ редактировать ]Джордж Буль установил развитие логических операций как многочленов. [18] В случае монадических операторов (таких как тождество или отрицание ), булевы полиномы выглядят следующим образом:
Четыре разные монадические операции являются результатом разных двоичных значений коэффициентов. Для операции тождества требуются f (1) = 1 и f (0) = 0, а отрицание происходит, если f (1) = 0 и f (0) = 1. Для 16 двоичных операторов булевы полиномы имеют вид:
Диадические операции могут быть переведены в этот полиномиальный формат, когда коэффициенты f принимают значения, указанные в соответствующих таблицах истинности . Например: операция NAND требует, чтобы:
- и .
Эти булевы полиномы можно немедленно расширить на любое количество переменных, создавая большое потенциальное разнообразие логических операторов.В векторной логике матрично-векторная структура логических операторов представляет собой точный перевод в формат линейной алгебры этих булевых многочленов, где x и 1− x соответствуют векторам s и n соответственно (то же самое для y и 1− y ). В примере NAND f (1,1) = n и f (1,0) = f (0,1) = f (0,0) = s , и версия матрицы становится:
Расширения
[ редактировать ]- Векторную логику можно расширить, включив в нее множество значений истинности, поскольку векторные пространства большой размерности позволяют создавать множество ортогональных значений истинности и соответствующие логические матрицы. [2]
- Логические модальности могут быть полностью представлены в этом контексте с помощью рекурсивных процессов, вдохновленных нейронными моделями . [2] [23]
- Некоторые когнитивные проблемы, связанные с логическими вычислениями, можно проанализировать с помощью этого формализма, в частности, рекурсивные решения. Любое логическое выражение классического исчисления высказываний может быть естественным образом представлено древовидной структурой . [7] Этот факт сохраняется в векторной логике и частично используется в нейронных моделях, ориентированных на исследование разветвленной структуры естественных языков. [24] [25] [26] [27] [28] [29]
- Вычисления с помощью обратимых операций, таких как вентиль Фредкина, могут быть реализованы в векторной логике. Такая реализация предоставляет явные выражения для матричных операторов, которые создают входной формат и выходную фильтрацию, необходимую для получения вычислений. [2] [6]
- Элементарные клеточные автоматы можно анализировать с использованием операторной структуры векторной логики; этот анализ приводит к спектральному разложению законов, управляющих его динамикой. [30] [31]
- дискретное дифференциальное и интегральное исчисление . Кроме того, на основе этого формализма разработано [32]
См. также
[ редактировать ]- Алгебраическая логика
- Булева алгебра
- Пропозициональное исчисление
- Квантовая логика
- Джонатан Вестфаль
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Мизраджи, Э. (1992). Векторная логика: матрично-векторное представление логического исчисления. Нечеткие множества и системы, 50, 179–185.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Мизраджи, Э. (2008) Векторная логика: естественное алгебраическое представление фундаментальных логических элементов. Журнал логики и вычислений, 18, 97–121.
- ^ Вестфаль Дж. и Харди Дж. (2005) Логика как векторная система. Журнал логики и вычислений, 751–765.
- ^ Вестфаль, Дж. Колфилд, Х. Дж. Харди, Дж. и Цянь, Л. (2005) Доказательство теорем оптической векторной логики. Материалы совместной конференции по информационным системам, фотонике, сетям и вычислительной технике.
- ^ Вестфаль, Дж (2010). Применение векторной теории к силлогистической логике. Новые перспективы на площади Оппозиции, Берн, Питер Ланг.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Мизраджи, Э. (1996) Операторы векторной логики. Ежеквартальный журнал «Математическая логика», 42, 27–39.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Суппес, П. (1957) Введение в логику, Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк.
- ^ Лукасевич, Дж. (1980) Избранные произведения. Л. Борковски, изд., стр. 153–178. Северная Голландия,Амстердам, 1980 г.
- ^ Решер, Н. (1969) Многозначная логика. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк
- ^ Бланше, Р. (1968) Введение в современную логику, Арман Колен, Париж
- ^ Клир, Г.Дж., Юань, Г. (1995) Нечеткие множества и нечеткая логика. Прентис-Холл, Нью-Джерси
- ^ Хейс, Б. (1995) Квадратный корень из НЕ. Американский учёный, 83, 304–308.
- ^ Дойч Д., Экерт А. и Лупаккини Р. (2000) Машины, логика и квантовая физика. Бюллетень символической логики, 6, 265–283.
- ^ Мизраджи, Э. (2020). Векторная логика допускает контрфактическую виртуализацию с помощью квадратного корня NOT, Logic Journal IGPL. Онлайн-версия ( два : 10.1093/jigpal/jzaa026 )
- ^ Копиловиш, И.М. (1948) Матричное развитие исчисления отношений. Журнал символической логики, 13, 193–203.
- ^ Кохонен, Т. (1977) Ассоциативная память: системно-теоретический подход. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк
- ^ Мизраджи, Э. (1989) Контекстно-зависимые ассоциации в линейно распределенных воспоминаниях . Бюллетень математической биологии, 50, 195–205.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Буль, Г. (1854) Исследование законов мышления, на которых основаны теории логики и вероятностей. Макмиллан, Лондон, 1854 г.; Дувр, Нью-Йоркское издание, 1958 г.
- ^ Дик, С. (2005) На пути к сложной нечеткой логике. Транзакции IEEE в нечетких системах, 15,405–414, 2005 г.
- ^ Миттельштадт, П. (1968) Философские проблемы современной физики, Библиографический институт, Мангейм
- ^ Стерн, А. (1988) Матричная логика: теория и приложения. Северная Голландия, Амстердам
- ^ Джайн, М.К. (2011) Логика выводов, основанных на фактических данных, Current Science, 1663–1672, 100
- ^ Мизраджи, Э. (1994) Модальности векторной логики. Архивировано 11 августа 2014 г. в Wayback Machine . Журнал формальной логики Нотр-Дама, 35, 272–283.
- ^ Мизраджи, Э., Лин, Дж. (2002) Динамика логических решений. Физика Д, 168–169, 386–396.
- ^ Бейм Грабен, П., Поттаст, Р. (2009). Обратные задачи динамического когнитивного моделирования. Хаос, 19, 015103
- ^ Бейм Грабен, П., Пиноцис, Д., Сэдди, Д., Поттаст, Р. (2008). Языковая обработка с динамическими полями. Когн. Нейродин., 2, 79–88.
- ^ Бейм Грабен, П., Герт, С., Васишт, С. (2008) К моделям динамических систем языковых потенциалов мозга. Когн. Нейродин., 2, 229–255.
- ^ Бейм Грабен, П., Герт, С. (2012) Геометрические представления минималистских грамматик. Журнал логики, языка и информации, 21, 393–432.
- ^ Бинацци, А. (2012) Логическое познание и ментальные модели. Исследования в области образования, 1–2012, с. 69–84
- ^ Мизраджи, Э. (2006) Части и целое: исследование того, как взаимодействие простых подсистем порождает сложность. Международный журнал общих систем, 35, стр. 395–415.
- ^ Аррути, К., Мизраджи, Э. (2006) Скрытые возможности. Международный журнал общих систем, 35, 461–469.
- ^ Мизраджи, Э. (2015) Дифференциальное и интегральное исчисление для логических операций. Матрично-векторный подход Journal of Logic and Computation 25, 613-638, 2015 г.