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满足性是等价的。
例3.4.3 设G=xyP(x,y), 则G的Skolem范式为S=xP(x,f(x)) 设 D={1,2}取满足S的解释I如下:
f(1) f(2) P(1,1) P(1,2) P(2,1) P(2,2)
2 1 任意
1
1
任意
则对I不看对函数的解释,也是G的解释,且满足G。
反之,取满足G的解释I如下:
若x(G(x)H)在I下取1值,则在I下,
对任意xD,G(x)H都是真命题。若H是真
命题,则xG(x)H是真命题;若H是假命题,
则必然是对每个xD,G(x)都是真命题,
故xG(x)取1值。所以xG(x)H在I下取1值。若 x(G(x)H)在I下取0值,则必有一个x0D,使G(x0) H在I下取0值。故G(x0)为假命题,H为假命题。所 以xG(x)取0值。从而xG(x)H在I下取0值。
2. 变量符号:用小写英文字母x,y,z,…表示,当个 体名称集合D给出时,D中任意元素可代入变量符号。
3. 函数符号:用小写英文字母f,g,…表示,当个体名 称集合D给出时,n元函数符号f(x1,…,xn)可以是Dn 到D的任意一个映射。
4. 谓词符号:用大写英文字母P,Q,R,…表示,当个 体名称集合D给出时,n元谓词符号P(x1,…,xn)可以 是Dn上的任意一个谓词。
由变量有且只有一个x,分别记以
G(x),H(x),于是有:
1)xG(x)xH(x)=x(G(x)H(x))
2)xG(x)xH(x)=x(G(x)H(x))
3)xG(x)xH(x)=xy(G(x)H(y))
4)xG(x)xH(x)=xy(G(x) H(y))
证明:用类似于证明引理1的方法,可证明此引 理的1),2)。
TI(H)= TI(P(2)Q(2,2)P(3)Q(3,2)) =0110=0
定义3.2.5 公式G称为可满足的,如果存在解释 I,使G在I下取1值,简称I满足G。若I不满足G, 则简称I弄假G。
定义3.2.6 公式G称为是恒假的(或不可满足的), 如果不存在解释I满足G;公式G称为恒真的, 如果G的所有解释I都满足G。
P(1,1) P(1,2) P(2,1) P(2,2)
1
任意
1
任意
现在I还不是S的解释,因为有函数没有指定,扩充I为I’, 使其包括对函数的指定
H是G1 G2的逻辑结果。 因为,设I是G1 ,G2,H的一个 解释(I指定a为张三),且I满足G1 G2,即
I满足 x(H(x)M(x))H(a)
所以,I满足M(a)。否则,令M(a)在I下为 假,而H(a)在I下为真,于是H(a)M(a) 在I下为假,故 x(H(x)M(x))在I下 为假,矛盾!故M(a)在I下为真命题,而I 指定a为 “张三”,故M(张三)为真命题。
1’) x(G(x)H)=xG(x)H
2) x(G(x)H)=xG(x)H 2’)x(G(x)H)=xG(x)H
3) (xG(x))=x(G(x))
4) (xG(x))=x(G(x))
证明:我们只证明1)和4)。
1)x(G(x)H)=xG(x)H
4) (xG(x))=x(G(x))
1)设I是G(x)和H的一个解释。
2) H=x(P(x)Q(x,a))
给出如下的解释I: D={2,3 }
a
2
f(2) f(3)
3
2
P(2) P(3) Q(2,2) Q(2,3) Q(3,2)
Baidu Nhomakorabea
0
11
1
0
Q(3,3) 1
于是,
TI(G)= TI((P(f(2))Q(2,f(2))) (P(f(3))Q(3,f(2))))
= TI((P(3)Q(2,3))(P(2)Q(3,3))) =(11)(00)=1
即I满足G。反之,取一个满足G的解释I。于是,对每 一组(x1’…,xr-1’)Dr-1,都存在xr’D,使得 Qr+1 xr+1…QnxnM(x1’,…,xr-1’,xr’,xr+1,,…,xn)在I 下定取,扩1值充。I为现I在’,I还使不其是包G含1的对解函释数,符因号为f(有x函1,数…没,有xr指-1) 的(x如1’,下…指,定x:r-1’f)(x1D’,r-1…。,于x是r-I1’’)满= 足xrG’1,。对同每理一,组对G1往 右找下一个存在量词,用Skolem函数代替得G2,则G1 与G2的可满足性是等价的,依此类推,可知G与S的可
定义3.2.3 谓词逻辑中的公式,
被递归定义如下:
1)原子是公式;
2) 若G,H是公式, 则(G),(GH),(GH), (GH),(GH)是公式; 3)若G是公式,x是G中的自由变量,则xG,
xG是公式; 4) 所有公式都是有限次使 用1)~3)生成的符号串。
3.2.2 解释 定义3.2.4 谓词逻辑中公式G的 一个解释I,是由非空区域D和对 G中常量符号,函数符号,谓词 符号以下列规则进行的一组指定 组成: 1.对每个常量符号,指定D中一个元素; 2. 对每个n元函数符号,指定一个函数,
束范式,如果G有如下形状:Q1x1…QnxnM 其中 Qixi或者是xi,或者是xi, i=1,…,n, M是不含量词的公式,
Q1x1…Qnxn称为首标,M称为母式。 例如, xyz(P(x,y)Q(x,z))
xyzP(x,y,z)等等,就是前束范式。
引理1 设G是公式,其中自由变量有且仅有一个 x,记以G(x),H是不含变量x的公式,于是有: 1) x(G(x)H)=xG(x)H
定义3.3.2 设G,H是公式,
称G蕴涵H,或H是G的逻辑结果, 如果公式GH是恒真的, 并记以GH。 显然,对任意两个公式G,H,
G蕴涵H的充要条件是:对任意解释I,若I 满足G,则I必满足H。同样,命题逻辑中 的14 组基本蕴涵式仍成立。现在,我们 再回到三段论上来。
令G1 =x(H(x)M(x)) G2=H(a),H=M(a) 我们将证明:
3) xG(x)xH(x)
=xG(x)yH(y)
改名规则
=x(G(x)yH(y)) 引理1
=xy(G(x)H(y)) 引理1
同理可证 4)。
定理3.4.1 对任意公式G,都存在与其等 价的前束范式。 证明:通过如下算法,可将公式G化成 等价的前束范式。 1.使用基本等价式(KH)=(KH)(HK) (KH)=KH可将公式G中的和删除。 2.使用(H)=H,De Morgan律,引理1,2 可将公式中所有否定号放在原子之前。 3.如果必要的话,则将约束变量改名。 4.使用引理1,2将所有量词都提到公式的最左边。于是,
将公式G在等价意义下化成了一个前束范式。 例3.4.1 xy(z(P(x,z)P(y,z))uQ(x,y,u))
=xy((z(P(x,z)P(y,z)))uQ(x,y,u)) =xy(z(P(x,z)P(y,z))uQ(x,y,u)) =xyz(P(x,z)P(y,z)uQ(x,y,u)) =xyzu(P(x,z)P(y,z)Q(x,y,u))
§3.3 谓词公式的等价关系和蕴
含关系 3.3.1 公式的等价和蕴涵
定义3.3.1 公式G,H称为等价,
记以G=H,如果公式GH是恒真的。 由定义显然可以看出:公式G,H等价的充
要条件是:对G,H的任意解释I,G,H在 I下的真值相同。
因为对任意公式G,H,在解释I下,G,H 就是两个命题,所以命题逻辑中给出的 10组基本等价式,在谓词逻辑中仍然成 立。
4)若I满足(xG( x)),则I弄假xG(x)。故对任意 xD,G(x)都是假命题,从而G(x)都是真命题,故 I满足x(G(x))。若I弄假(xG(x)),则I满足 xG(x)。故有x0D,使得G(x0)是真命题。从而 G(x0)是假命题,故I弄假x(G(x))。其它等式同 理可证。
引理2 设G,H是两个公式,其中自
由于谓词逻辑中的恒真(恒假)公式,
要求所有解释I都满足(弄假)该公式。
而解释I依赖于一个非空集合D。由于
集合D可以是无穷集合,而集合D的
“数目”也可能是无穷多个,因此,所
谓公式的 “所有”解释,实际上是无法
考虑的。这就使得谓词逻辑中公式的恒真,恒假 性的判断变得异常困难。1936年Church和 Turing分别独立地证明了:对于谓词逻辑,判 定问题是不可解的。
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离散数学
(第十三讲)
主讲人: 杨凤杰
学 时:64
§3.2 谓词公式
3.2.1 公式
在本节中,我们将对谓词逻辑中关于谓词
的表达式形式化,亦即引进公式的概念,并
引进关于公式的恒真,恒假等最基本的概念。
在形式化中,我们将使用如下四种符号:
1. 常量符号:用小写英文字母a,b,c,…表示,当个 体名称集合D给出时,它可以是D中某个元素。
在命题逻辑中,我们引进过公 式的标准形式,即范式。因为一个公式,
在等价意义下,可以有各种不同的表示, 因此,公式的标准表示形式就是一个有 意义的问题。在命题逻辑中,范式的重 要作用我们已经知道,范式在谓词逻辑 中有同样重要的作用,本节我们讨论谓 词逻辑中公式的两种标准形式。
定义3.4.1 谓词逻辑中公式G称为前
幸好,谓词逻辑是半可判定的,亦即,如果谓词 逻辑中的公式是恒真的,则有算法在有限步之 内检验出这个公式的恒真性。如果该公式不是 恒真的 (当然也不是恒假的),则无法在有限 步内判定这个事实。从Thurch和Turing的结果 看,这也许是我们所能期望的最好结果了。
§3.4 范式
3.4.1 前束范式
Qrxr左边的全称量词(m1,1s1<s2<…<sm<r),则取 异于出现在M中所有函数符号的m元函数符号f(xs1,…, xsm ),用f(xs1,…,xsm )代替出现在M中的所有xr, 然后在首标中删除Qrxr。对首标中的所有存在量词做 上述处理后,得到一个在首标中没有存在量词的前束 范式,这个前束范式就称为公式G的Skolem范式。其 中用来代替xr的那些常量符号和函数符号称为公式G的 Skolem函数。
证明:设G是前束范式: G= Q1x1…QnxnM(x1,…,xn)设 Qr是从左往右看
第一个存在量词。令 G1= x1…xr-1Qr+1 xr+1…QnxnM(x1,…,xr-1,f(x1,…,xr-1), xr+1,,…,xn) 其中f(x1,…,xr-1)是代替xr的Skolem函数。
下面证明 1)满足G1的解释满足G, 2)满足G的解释,适当扩充后可满足G1。 设个体域为D,取一个满足G1的解释I,于是, 对每一组(x1’…,xr-1’)Dr-1,都有 f(x1’,…,xr-1’)D,使得 Qr+1 xr+1…QnxnM(x1’,…,xr-1’, f(x1’,…,xr-1’),xr+1,…,xn)在I下取1值。 所以x1…xr-1 xrQr+1 xr+1…QnxnM(x1,…,xn)为真,
定义3.2.1 谓词逻辑中的项,
被递归定义为:
1)常量符号是项;
2) 变量符号是项; 3) 若f(x1,…,xn)是n元函数符号,
t1,…,tn是项,则f(x1,…,xn)是项; 4) 所有项都是有限次使用1),2),3)生
成的符号串。 定义3.2.2 若P(x1,…,xn)是n元谓词符
号, t1,…,tn是项,则P(x1,…,xn) 是原子。
例3.4.2 G=xyzuvw P(x,y,z,u,v,w)
用a代替x,用f(y,z)代替u,用
g(y,z,v)代替w,得公式G的
Skolem范式: yzvP(a,y,z,f(y,z),v,g(y,z,v))。
下面我们来讨论公式G与它的Skolem范式S之间 的关系。
1. G与S的可满足性是等价的。
3.4.2 Skolem范式
定义3.4.2 设G是一个公式,
Q1x1…QnxnM是与G等价的前束范式, 其中M为合取范式形式。若Qr是存在 量词,并且它左边没有全称量词,则
取异于出现在M中所有常量符号的常
量符号c,并用c代替M中所有的xr, 然后在首标中删除Qrxr。若Qs1,…,Qsm是所有出现在
即指定Dn到D的一个映射; 3. 对每个n元谓词符号,指定一个谓词,
即指定Dn到{0,1}的一个映射。 今后我们对讨论的公式做如下规定:公式
中无自由变量,或将自由变量看做常量。
显然,对任意公式G,如果给出G的一
个解释I,则G在I下有一个真值。
记作TI(G)。 例如,给出如下两个公式:
1) G=x(P(f(x))Q(x,f(a)))
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