Допустимое правило
В логике правило вывода допустимо , в формальной системе если набор теорем системы не меняется при добавлении этого правила к существующим правилам системы. Другими словами, каждая формула , которая может быть выведена с использованием этого правила, уже выведена без этого правила, поэтому в некотором смысле она избыточна. Понятие допустимого правила было введено Полем Лоренценом (1955).
Определения [ править ]
Допустимость систематически изучалась только в случае структурных (т. е. замкнутых подстановкой ) правил в пропозициональных неклассических логиках , которые мы опишем далее.
Пусть фиксирован набор основных пропозициональных связок (например, в случае суперинтуиционистской логики , или в случае мономодальных логик ). Правильно построенные формулы свободно строятся с использованием этих связок из счетного бесконечного набора пропозициональных переменных p 0 , p 1 , .... Замена σ - это функция от формул к формулам, которая коммутирует с применением связок, т. е.
для каждой связки f и формул A 1 , ... An , . (Мы также можем применять замены к множествам формул Γ, делая σ Γ = { σA : A ∈ Γ}. в стиле Тарского ) Отношение следствия [1] это отношение между наборами формул и формулами, такими что
- если затем («ослабление»)
- если и затем («композиция»)
для всех формул A , B и наборов формул Γ, ∆. Отношение следствия такое, что
- если затем
для всех замен σ называется структурной . (Обратите внимание, что термин «структурный», используемый здесь и ниже, не имеет отношения к понятию структурных правил в секвенциальном исчислении .) Структурное отношение следствия называется логикой высказываний . Формула А — это теорема логики если .
Например, мы отождествляем суперинтуиционистскую логику L с ее стандартным отношением следования порождается modus ponens и аксиомами, и мы отождествляем нормальную модальную логику с ее глобальным отношением последствий порождены modus ponens, необходимостью и (как аксиомы) теоремами логики.
Правило структурного вывода [2] (или просто правило ) задается парой (Γ, B ), обычно записываемой как
{ A 1 , ... , An где Γ = } — конечное множество формул, а B — формула. Примером является правила
для замены σ . Правило Γ B выводится / в , если . Допустимо , если для каждого случая правила σB является теоремой, если все формулы из σΓ являются теоремами. [3] Другими словами, правило допустимо, если оно при добавлении к логике не приводит к новым теоремам. [4] Мы также пишем если Γ/ B допустима. (Обратите внимание, что само по себе является структурным отношением следствия.)
Любое выводимое правило допустимо, но не наоборот вообще. Логика является структурно полной, если каждое допустимое правило выводимо, т. е. . [5]
В логиках с хорошей союзной связкой (например, в суперинтуиционистской или модальной логике) правило эквивалентно относительно допустимости и производности. Поэтому принято иметь дело только с унарными правилами A / B .
Примеры [ править ]
- Классическое исчисление высказываний ( КПК ) структурно завершено. [6] Действительно, предположим, что A / B — невыводимое правило, и зафиксируем присвоение v такое, что v ( A ) = 1 и v ( B ) = 0. Определим замену σ такую, что для каждой p переменной σp = если v ( p ) = 1 и σp = если v ( p ) = 0. Тогда σA — теорема, а σB — нет (фактически, ¬ σB — теорема). Таким образом, правило A / B также недопустимо. (Тот же аргумент применим к любой многозначной логике L, полной относительно логической матрицы, все элементы которой имеют имя на языке L. )
- Правило Крейзеля правило – Патнэма (также известное как Харропа или правило независимости посылок )
- допустимо в интуиционистском исчислении высказываний ( IPC ). Фактически, оно допустимо в любой суперинтуиционистской логике. [7] С другой стороны, формула
- не является интуиционистской теоремой; следовательно, KPR не выводится в IPC . В частности, IPC не является структурно завершенным.
- Правило
- допустимо во многих модальных логиках, таких как K , D , K 4, S 4, GL ( см. в этой таблице названия модальных логик ). Оно выводимо в S4 , но не выводимо в K , D , K4 или GL .
- Правило
- допустимо в нормальной логике . [8] Оно выводимо в GL и S 4.1, но не выводимо в K , D , K 4 , S 4 или S 5.
- допустимо (но не выводимо) в базовой модальной логике K и выводимо в GL . Однако LR недопустим в K 4. В частности, вообще говоря, неверно , что правило, допустимое в логике L, должно быть допустимым и в ее расширениях.
- Логика Гёделя-Даммета ( LC ) и модальная логика Grz .3 структурно полны. [9] также Нечеткая логика продукта структурно завершена. [10]
и Разрешимость сокращенные правила
Основной вопрос о допустимых правилах данной логики состоит в том, разрешимо ли множество всех допустимых правил . Заметим, что проблема нетривиальна, даже если сама логика (т. е. ее набор теорем) разрешима : определение допустимости правила A / B включает в себя неограниченный квантор универсальности над всеми пропозициональными подстановками. Следовательно, априори мы знаем только, что допустимость правила в разрешимой логике равна (т. е. его дополнение рекурсивно перечислимо ). Например, известно, что допустимость в бимодальных логиках K u и K 4 u (расширениях K или K 4 с универсальной модальностью ) неразрешима. [11] Примечательно, что разрешимость допустимости в базовой модальной логике K является основной открытой проблемой.
Тем не менее, как известно, допустимость правил разрешима во многих модальных и суперинтуиционистских логиках. Первые процедуры решения допустимых правил в базовых транзитивных модальных логиках были построены Рыбаковым с использованием сокращенной формы правил . [12] Модальное правило в переменных называется вид приведенным , p0,...,pk если оно имеет
где каждый либо пусто, либо отрицание . Для каждого правила r мы можем эффективно построить сокращенное правило s (называемое приведенной формой r ), такое, что любая логика допускает (или выводит) r тогда и только тогда, когда она допускает (или выводит) s , путем введения переменных расширения для всех подформул. в A и выражая результат в полной дизъюнктивной нормальной форме . Таким образом, достаточно построить алгоритм принятия решения о допустимости сокращенных правил.
Позволять быть сокращенным правилом, как указано выше. Мы идентифицируем каждое соединение с набором его конъюнктов. Для любого подмножества W множества из всех конъюнкций определим модель Крипке к
Тогда алгоритмический критерий допустимости в K 4 дает следующее: [13]
Теорема . Правило недопустима 4 тогда и только тогда , в K когда существует множество такой, что
- для некоторых
- для каждого
- для любого подмножества D из W существуют элементы такие, что эквивалентности
- тогда и только тогда, когда для каждого
- тогда и только тогда, когда и для каждого
- придерживаться для всех j .
Аналогичные критерии можно найти для логик S4 , GL и Grz . [14] Более того, допустимость в интуиционистской логике может быть сведена к допустимости в Grz с использованием перевода Гёделя – МакКинси – Тарского : [15]
- тогда и только тогда, когда
Рыбаков (1997) разработал гораздо более сложные методы демонстрации разрешимости допустимости, которые применимы к устойчивому (бесконечному) классу транзитивных (т. е. расширяющих K 4 или IPC ) модальных и суперинтуиционистских логик, включая, например, S 4.1, S 4.2, S 4.3. , KC , T k (а также упомянутые выше логики IPC , K 4 , S 4 , GL , Grz ). [16]
Несмотря на разрешимость, проблема допустимости имеет относительно высокую вычислительную сложность даже в простых логиках: допустимость правил в базовых транзитивных логиках IPC , K 4, S 4, GL , Grz является coNEXP -полной. [17] Это следует противопоставить проблеме выводимости (для правил или формул) в этой логике, которая является PSPACE -полной. [18]
Проективность и унификация [ править ]
логике высказываний тесно связана с унификацией в эквациональной теории модальных Допустимость в или гейтинговых алгебр . Связь была разработана Гиларди (1999, 2000). В логической схеме унификатор формулы A на языке логики L ( L сокращенно -объединитель) представляет собой замену σ такую, что σA является теоремой L . (Используя это понятие, мы можем перефразировать допустимость правила A / B в L как «каждый L -объединитель A является L -объединителем B ».) L -объединитель σ менее общий, чем L -объединитель τ , записано как σ ≤ τ , если существует замена υ такая, что
для каждой переменной p . Полное множество объединителей формулы A — это множество S - объединителей L формулы A такое, что каждый L -объединитель формулы A менее общий, чем некоторый объединитель S. из Наиболее общий унификатор (MGU) A - это унификатор σ такой, что { σ } является полным набором унификаторов A . Отсюда следует, что если S — полный набор объединителей A , то правило A / B является L -допустимым тогда и только тогда, когда каждое в S является L - объединителем B. σ Таким образом, мы можем охарактеризовать допустимые правила, если сможем найти корректные полные наборы унификаторов.
Важным классом формул, имеющих наиболее общий объединитель, являются проективные формулы : это формулы A такие, что существует объединитель σ формулы A такой, что
для каждой B. формулы Обратите внимание, что σ является MGU A . В транзитивных модальных и суперинтуиционистских логиках со свойством конечной модели проективные формулы можно семантически охарактеризовать как те, у которых множество конечных L -моделей обладает свойством расширения : [19] если M — конечная L -модель Крипке с корнем r , кластер которой представляет собой одноэлементный элемент , и формула A выполняется во всех точках M , кроме r , то мы можем изменить оценку переменных в r так, чтобы сделать A истинным в точке р тоже. Более того, доказательство дает явное построение MGU для заданной проективной формулы A .
В базовых транзитивных логиках IPC , K 4 , S 4 , GL , Grz (и, в более общем плане, в любой транзитивной логике со свойством конечной модели, множество конечного фрейма которой удовлетворяет другому типу свойства расширения), мы можем эффективно построить для любой формулы A его проективная аппроксимация Π( A ): [20] конечное множество проективных формул таких, что
- для каждого
- каждый объединитель A является объединителем формулы из Π( A ).
Отсюда следует, что множество MGU элементов из Π( A ) является полным набором объединителей A . Более того, если P — проективная формула, то
- тогда и только тогда, когда
для любой B. формулы Таким образом, мы получаем следующую эффективную характеристику допустимых правил: [21]
- тогда и только тогда, когда
Основы допустимых правил [ править ]
Пусть L — логика. Множество R L . -допустимых правил называется базисом [22] допустимых правил, если каждое допустимое правило Γ/ B может быть получено из R и выводимых правил L с помощью замены, композиции и ослабления. Другими словами, R является базисом тогда и только тогда, когда это наименьшее структурное отношение следствия, которое включает в себя и Р.
Заметим, что разрешимость допустимых правил разрешимой логики эквивалентна существованию рекурсивных (или рекурсивно перечислимых ) базисов: с одной стороны, множество всех допустимых правил является рекурсивным базисом, если допустимость разрешима. С другой стороны, набор допустимых правил всегда корекурсивно перечислим, и если у нас дополнительно есть рекурсивно перечислимая основа, набор допустимых правил также будет рекурсивно перечислим; следовательно, это разрешимо. (Другими словами, мы можем решить допустимость A / B по следующему алгоритму : мы начинаем параллельно два исчерпывающих поиска : один для замены σ , которая объединяет A, но не B , и один для вывода A / B из R и . Один из поисков должен в конечном итоге дать ответ.) Помимо разрешимости, явные основы допустимых правил полезны для некоторых приложений, например, для сложности доказательства . [23]
Для данной логики мы можем спросить, имеет ли она рекурсивный или конечный базис допустимых правил, и предоставить явный базис. Если логика не имеет конечного базиса, она, тем не менее, может иметь независимый базис : базис R такой, что ни одно собственное подмножество R не является базисом.
В общем, о существовании оснований с желаемыми свойствами можно сказать очень мало. Например, хотя табличные логики обычно хорошо себя ведут и всегда конечно аксиоматизируемы, существуют табличные модальные логики без конечной или независимой базы правил. [24] Конечные базисы сравнительно редки: даже базисные транзитивные логики IPC , K4 , S4 , GL , Grz не имеют конечного базиса допустимых правил, [25] хотя у них есть независимые базы. [26]
Примеры баз [ править ]
- Пустое множество является базисом L -допустимых правил тогда и только тогда, когда L структурно полно.
- Каждое расширение модальной логики S 4.3 (включая, в частности, S 5) имеет конечный базис, состоящий из единственного правила [27]
- Visser Правила
- являются основой допустимых правил в МПК или КС . [28]
- Правила
- являются основой допустимых правил GL . [29] (Обратите внимание, что пустая дизъюнкция определяется как .)
- Правила
- являются основой допустимых правил S 4 или Grz . [30]
Семантика допустимых правил [ править ]
Правило Γ/ B справедливо . в модальном или интуиционистском фрейме Крипке , если для каждой оценки верно следующее в Ф :
- если для всех , затем .
это определение легко обобщается на общие рамки ( При необходимости .)
Пусть X — подмножество W , а t — в W. точка Мы говорим, это что
- рефлексивный жесткий предшественник X или , если для каждого y в W : t R y тогда и только тогда, когда t = y для некоторого x в X : x = y или x R y ,
- иррефлексивный жесткий предшественник X тогда , если для каждого y в W : t R y и только тогда, когда для некоторого x в X : x = y или x R y .
Мы говорим, что фрейм F имеет рефлексивных (иррефлексивных) жестких предшественников, если для каждого конечного подмножества X из W существует рефлексивный (иррефлексивный) плотный предшественник X в W .
У нас есть: [31]
- правило допустимо в IPC тогда и только тогда, когда оно действительно во всех интуиционистских фреймах, имеющих рефлексивных жестких предшественников,
- правило допустимо в K 4 тогда и только тогда, когда оно справедливо во всех транзитивных фреймах, имеющих рефлексивных и иррефлексивных жестких предшественников,
- правило допустимо в S4 тогда и только тогда, когда оно действительно во всех транзитивных рефлексивных фреймах, имеющих рефлексивных жестких предшественников,
- правило допустимо в GL тогда и только тогда, когда оно справедливо во всех транзитивных обратных хорошо обоснованных фреймах, имеющих иррефлексивных жестких предшественников.
Обратите внимание, что за исключением нескольких тривиальных случаев, кадры с плотными предшественниками должны быть бесконечными. Следовательно, допустимые правила в основных транзитивных логиках не обладают свойством конечной модели.
завершенность Структурная
Хотя общая классификация структурно полных логик — непростая задача, мы хорошо понимаем некоторые частные случаи.
Сама по себе интуиционистская логика структурно не завершена, но ее фрагменты могут вести себя по-разному. А именно, любое правило без дизъюнкций или правило без импликаций, допустимое в суперинтуиционистской логике, выводимо. [32] С другой стороны, Минтов правила
допустима в интуиционистской логике, но невыводима и содержит только импликации и дизъюнкции.
Нам известны максимальные структурно неполные транзитивные логики. Логика называется наследственно структурно полной , если какое-либо расширение является структурно полным. Например, классическая логика, а также упомянутые выше логики LC и Grz.3 наследственно структурно полны. Полное описание наследственно структурно полной суперинтуиционистской и транзитивной модальных логик было дано соответственно Циткиным и Рыбаковым. А именно, суперинтуиционистская логика наследственно структурно полна тогда и только тогда, когда она недействительна ни в одной из пяти систем Крипке. [9]
Аналогично, расширение K 4 является наследственно структурно полным тогда и только тогда, когда оно недействительно ни в одной из определенных двадцати систем Крипке (включая пять интуиционистских структур, упомянутых выше). [9]
Существуют структурно полные логики, которые не являются наследственно структурно полными: например, логика Медведева структурно завершена, [33] но оно включено в структурно неполную логику КС .
Варианты [ править ]
Правило с параметрами — это правило вида
переменные которого разделены на «обычные» переменные и pi параметры s i . Правило является L если каждый L -объединитель σ A -допустимым , такой, что σs i = s i для каждого i, является также объединителем B . Основные результаты о разрешимости допустимых правил также относятся к правилам с параметрами. [34]
Правило множественного вывода — это пара (Γ,Δ) двух конечных наборов формул, записанных как
Такое правило допустимо, если каждый объединитель Г является также объединителем некоторой формулы из А. [35] Например, логика L непротиворечива тогда и только тогда, когда она допускает правило
а суперинтуиционистская логика обладает свойством дизъюнкции тогда и только тогда, когда она допускает правило
Опять же, основные результаты о допустимых правилах плавно обобщаются на правила множественных выводов. [36] В логиках с вариантом свойства дизъюнкции правила множественного вывода имеют ту же выразительную силу, что и правила одного вывода: например, в S 4 приведенное выше правило эквивалентно
Тем не менее, правила множественных выводов часто можно использовать для упрощения аргументов.
В теории доказательств допустимость часто рассматривается в контексте секвенциальных исчислений , где основными объектами являются секвенции, а не формулы. Например, можно перефразировать теорему об исключении разрезов , сказав, что секвенционное исчисление без разрезов допускает правило разреза.
(Злоупотребляя языком, иногда также говорят, что (полное) секвенциальное исчисление допускает разрез, то есть его версия без разрезов допускает.) Однако допустимость в секвенциальном исчислении обычно представляет собой лишь вариант обозначения допустимости в соответствующей логике: любой полное исчисление для (скажем) интуиционистской логики допускает правило секвенций тогда и только тогда, когда IPC допускает формульное правило, которое мы получаем путем перевода каждой секвенции к его характеристической формуле .
Примечания [ править ]
- ^ Блок и Пигоцци (1989), Власть (2007)
- ^ Rybakov (1997), Def. 1.1.3
- ^ Rybakov (1997), Def. 1.7.2
- ^ От теоремы де Йонга к интуиционистской логике доказательств
- ^ Rybakov (1997), Def. 1.7.7
- ^ Чагров и Захарьящев (1997), Thm. 1,25
- ^ Прунал (1979), ср. Иемхофф (2006)
- ^ Rybakov (1997), p. 439
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Рыбаков (1997), Thms. 5.4.4, 5.4.8
- ^ Синтула и Меткалф (2009)
- ^ Wolter & Zakharyaschev (2008)
- ^ Rybakov (1997), §3.9
- ^ Rybakov (1997), Thm. 3.9.3
- ^ Rybakov (1997), Thms. 3.9.6, 3.9.9, 3.9.12; cf. Chagrov & Zakharyaschev (1997), §16.7
- ^ Rybakov (1997), Thm. 3.2.2
- ^ Rybakov (1997), §3.5
- ^ Крейн (2007)
- ^ Чагров и Захарьящев (1997), §18.5
- ^ Гиларди (2000), Thm. 2.2
- ^ Гиларди (2000), с. 196
- ^ Гиларди (2000), Thm. 3.6
- ^ Rybakov (1997), Def. 1.4.13
- ^ Минц и Кожевников (2004)
- ^ Rybakov (1997), Thm. 4.5.5
- ^ Rybakov (1997), §4.2
- ^ Крейн (2008)
- ^ Rybakov (1997), Cor. 4.3.20
- ^ Иемхофф (2001, 2005), Розьер (1992)
- ^ Крейн (2005)
- ^ Крейн (2005, 2008)
- ^ Иемхофф (2001), Ерабек (2005)
- ^ Рыбаков (1997), Thms. 5.5.6, 5.5.9
- ^ Прукнал (1976)
- ^ Rybakov (1997), §6.1
- ^ Крейн (2005); ср. Крахт (2007), §7
- ^ Крейн (2005, 2007, 2008)
Ссылки [ править ]
- В. Блок, Д. Пигоцци, Алгебраизуемая логика , Мемуары Американского математического общества 77 (1989), вып. 396, 1989.
- А. Чагров и М. Захарьящев, Модальная логика , Oxford Logic Guides vol. 35, Издательство Оксфордского университета, 1997. ISBN 0-19-853779-4
- П. Синтула и Г. Меткалф, Структурная полнота в нечеткой логике , Notre Dame Journal of Formal Logic 50 (2009), вып. 2, стр. 153–182. дои : 10.1215/00294527-2009-004
- А. И. Циткин, О структурно полной суперинтуиционистской логике , Советская математика - Доклады, вып. 19 (1978), стр. 816–819.
- С. Гиларди, Унификация в интуиционистской логике , Журнал символической логики 64 (1999), вып. 2, стр. 859–880. Проект Евклид JSTOR
- С. Гиларди, Лучшее решение модальных уравнений , Анналы чистой и прикладной логики 102 (2000), вып. 3, стр. 183–198. два : 10.1016/S0168-0072(99)00032-9
- Р. Иемхофф , О допустимых правилах интуиционистской пропозициональной логики , Журнал символической логики 66 (2001), вып. 1, стр. 281–294. Проект Евклид JSTOR
- Р. Иемхофф, Промежуточная логика и правила Виссера , Журнал формальной логики Нотр-Дам 46 (2005), вып. 1, стр. 65–81. два : 10.1305/ndjfl/1107220674
- Р. Иемхофф, О правилах промежуточной логики , Архив математической логики , 45 (2006), вып. 5, стр. 581–599. два : 10.1007/s00153-006-0320-8
- Е. Ержабек, Допустимые правила модальной логики , Журнал логики и вычислений 15 (2005), вып. 4, стр. 411–431. два : 10.1093/logcom/exi029
- Е. Ержабек, Сложность допустимых правил , Архив математической логики 46 (2007), вып. 2, стр. 73–92. два : 10.1007/s00153-006-0028-9
- Е. Ержабек, Независимые основы допустимых правил , Логический журнал IGPL 16 (2008), вып. 3, стр. 249–267. два : 10.1093/jigpal/jzn004
- М. Крахт, Модальные отношения последствий , в: Справочник по модальной логике (П. Блэкберн, Дж. ван Бентем и Ф. Вольтер, ред.), Исследования логики и практического рассуждения, том. 3, Elsevier, 2007, стр. 492–545. ISBN 978-0-444-51690-9
- П. Лоренцен, Введение в операционную логику и математику , Основы математических наук, том. 78, Спрингер Верлаг, 1955 г.
- G. Mints and A. Kojevnikov, Intuitionistic Frege systems are polynomially equivalent , Zapiski Nauchnyh Seminarov POMI 316 (2004), pp. 129–146. gzipped PS
- Т. Прунал, Структурная полнота исчисления высказываний Медведева , Отчеты по математической логике 6 (1976), стр. 103–105.
- Т. Прунал, О двух задачах Харви Фридмана , Studia Logica 38 (1979), вып. 3, стр. 247–262. два : 10.1007/BF00405383
- П. Розьер, Допустимые правила в интуиционистском исчислении высказываний , докторская диссертация, Парижский университет VII , 1992. PDF.
- В. В. Рыбаков, Допустимость правил логического вывода , Исследования по логике и основам математики вып. 136, Эльзевир, 1997. ISBN 0-444-89505-1
- Ф. Вольтер, М. Захарьящев, Неразрешимость проблем унификации и допустимости модальных и дескриптивных логик , Транзакции ACM по вычислительной логике 9 (2008), вып. 4, статья №. 25. дои : 10.1145/1380572.1380574 PDF