stringtranslate.com

Квантор (логика)

В логике квантор — это оператор, который определяет , сколько индивидов в области дискурса удовлетворяют открытой формуле . Например, квантор универсальности в формуле первого порядка выражает, что все в области удовлетворяет свойству, обозначаемому . С другой стороны, квантор существования в формуле выражает, что в области существует что-то, что удовлетворяет этому свойству. Формула, в которой квантификатор имеет самый широкий диапазон , называется количественной формулой. Количественная формула должна содержать связанную переменную и подформулу , определяющую свойство референта этой переменной.

Таблица истинности для кванторов экзистенциала и всеобщности. [1]

Наиболее часто используемые квантификаторы — это и . Эти кванторы стандартно определяются как двойственные ; в классической логике они взаимоопределяемы с помощью отрицания . Их также можно использовать для определения более сложных кванторов, как в формуле, которая выражает, что ничто не обладает свойством . Другие квантификаторы можно определить только в рамках логики второго порядка или логики более высокого порядка . Кванторы были обобщены, начиная с работ Мостовского и Линдстрема .

В логическом высказывании первого порядка квантификации одного и того же типа (либо универсальные квантификации, либо экзистенциальные квантификации) могут меняться без изменения значения высказывания, в то время как обмен квантификациями разных типов меняет смысл. Например, единственная разница в определениях равномерной непрерывности и (обычной) непрерывности - это порядок количественных оценок.

Кванторы первого порядка приблизительно соответствуют значениям некоторых кванторов естественного языка , таких как «некоторые» и «все». Однако многие кванторы естественного языка можно анализировать только с точки зрения обобщенных кванторов .

Отношения к логическому соединению и дизъюнкции

Для конечной области дискурса универсально квантифицированная формула эквивалентна логической конъюнкции . Двойственно экзистенциально квантифицированная формула эквивалентна логической дизъюнкции . Например, если это набор двоичных цифр , формула сокращается , что дает значение true .

Бесконечная область дискурса

Рассмотрим следующее утверждение ( используя точечную запись для умножения ):

1 · 2 = 1 + 1, и 2 · 2 = 2 + 2, и 3 · 2 = 3 + 3, ..., и 100 · 2 = 100 + 100, и ... и т. д.

Это имеет вид бесконечного соединения предложений. С точки зрения формальных языков это сразу становится проблемой, поскольку ожидается, что правила синтаксиса будут генерировать конечные слова.

Приведенный выше пример удачен тем, что существует процедура генерации всех конъюнктов. Однако, если бы нужно было сделать утверждение о каждом иррациональном числе , не было бы возможности перечислить все соединения, поскольку иррациональные числа не могут быть перечислены. Краткая эквивалентная формулировка, позволяющая избежать этих проблем, использует универсальную количественную оценку :

Для каждого натурального числа n n · 2 = n + n .

Аналогичный анализ применим и к дизъюнкции ,

1 равно 5 + 5, или 2 равно 5 + 5, или 3 равно 5 + 5, ... или 100 равно 5 + 5, или ... и т. д.

который можно перефразировать, используя экзистенциальную квантификацию :

Для некоторого натурального числа n n равно 5+5.

Алгебраические подходы к количественной оценке

Можно разработать абстрактные алгебры , модели которых включают формальные языки с квантификацией, но прогресс был медленным [ необходимы разъяснения ] и интерес к такой алгебре был ограничен. На сегодняшний день разработаны три подхода:

Обозначения

Двумя наиболее распространенными кванторами являются квантор всеобщности и квантор существования. Традиционным символом квантора всеобщности является « ∀ », перевернутая буква « А », которая означает «для всех» или «все». Соответствующим символом квантора существования является « ∃ », перевернутая буква « E », которая означает «существует» или «существует». [2] [3]

Пример перевода количественного утверждения на естественный язык, например английский, может быть следующим. Учитывая утверждение: «Каждый из друзей Питера либо любит танцевать, либо любит ходить на пляж (или и то, и другое)», ключевые аспекты могут быть идентифицированы и переписаны с использованием символов, включая квантификаторы. Итак, пусть X — множество всех друзей Питера, P ( x ) — предикат « x любит танцевать», а Q ( x ) — предикат « x любит ходить на пляж». Тогда приведенное выше предложение можно записать в формальной записи как , что читается так: «Для каждого x , являющегося членом X , P применяется к x или Q применяется к x ».

Некоторые другие количественные выражения строятся следующим образом:

[4]    

для формулы П. Эти два выражения (с использованием приведенных выше определений) читаются как «есть друг Петра, который любит танцевать» и «все друзья Петра любят танцевать» соответственно. Варианты обозначений для набора X и членов набора x включают :

    [5]     [6]                            

Все эти вариации также применимы к универсальной количественной оценке. Другие варианты квантора универсальности:

[ нужна ссылка ]     [7] [8]    

В некоторых версиях обозначений явно упоминается диапазон количественной оценки. Всегда должен быть указан диапазон количественного определения; для данной математической теории это можно сделать несколькими способами:

Можно использовать любую переменную в качестве количественной переменной вместо любой другой при определенных ограничениях, при которых захват переменной не происходит. Даже если в нотации используются типизированные переменные, можно использовать переменные этого типа.

Неофициально или на естественном языке «∀ x » или «∃ x » могут появляться после или в середине P ( x ). Однако формально впереди стоит фраза, вводящая фиктивную переменную.

Математические формулы смешивают символические выражения для кванторов с кванторами естественного языка, такими как:

Для любого натурального числа х ,...
Существует х такой, что...
Хотя бы для одного x, ....

Ключевые слова для количественной оценки уникальности включают:

Ровно для одного натурального числа x ,...
Существует один и только один х такой, что....

Кроме того, x можно заменить местоимением . Например,

Для каждого натурального числа его произведение на 2 равно его сумме с самим собой.
Некоторое натуральное число является простым.

Порядок кванторов (вложенность)

Порядок кванторов имеет решающее значение для значения, что иллюстрируется следующими двумя утверждениями:

Для каждого натурального числа n существует натуральное число s такое, что s = n 2 .

Это, несомненно, правда; он просто утверждает, что каждое натуральное число имеет квадрат. Смысл утверждения, в котором порядок кванторов изменен на обратный:

Существует такое натуральное число s , что для любого натурального числа n s = n 2 .

Это явно неверно; он утверждает, что существует единственное натуральное число s , которое является квадратом каждого натурального числа. Это связано с тем, что синтаксис предписывает, что любая переменная не может быть функцией последующих переменных.

Менее тривиальный пример из математического анализа касается понятий равномерной и поточечной непрерывности, определения которых различаются лишь заменой позиций двух кванторов. Функция f от R до R называется

В первом случае конкретное значение, выбранное для δ , может быть функцией как ε, так и x , переменных, которые ему предшествуют. В последнем случае δ может быть функцией только ε (т. е. ее нужно выбирать независимо от x ). Например, f ( x ) = x 2 удовлетворяет поточечной, но не равномерной непрерывности (ее наклон несвязан). Напротив, замена двух исходных кванторов универсальности в определении поточечной непрерывности не меняет смысла.

Как правило, замена двух соседних кванторов всеобщности с одной и той же областью действия (или замена двух соседних кванторов существования с одинаковой областью действия) не меняет смысла формулы (см. Пример здесь ), но замена квантора существования и соседнего квантора всеобщности квантор может изменить свое значение.

Максимальная глубина вложенности кванторов в формуле называется ее « кванторным рангом ».

Эквивалентные выражения

Если D — область определения x , а P ( x ) — предикат, зависящий от объектной переменной x , то универсальное предложение можно выразить как

Это обозначение известно как ограниченная или релятивизированная или ограниченная количественная оценка . Эквивалентно можно написать:

Экзистенциальное предложение может быть выражено с помощью ограниченной количественной оценки как

или эквивалентно

Вместе с отрицанием для выполнения обеих задач необходим только один из кванторов всеобщности или существования:

который показывает, что для опровержения предложения «для всех x » достаточно найти x , для которого предикат ложен. Сходным образом,

Чтобы опровергнуть утверждение «существует x », нужно показать, что предикат ложен для всех x .

В классической логике каждая формула логически эквивалентна формуле в пренексной нормальной форме , то есть строке кванторов и связанных переменных, за которой следует формула без кванторов.

Удаление квантификатора

Устранение кванторов — это концепция упрощения, используемая в математической логике , теории моделей и теоретической информатике . Неформально, квантифицированное утверждение « такое, что » можно рассматривать как вопрос «Когда существует такое, что ?», а утверждение без кванторов можно рассматривать как ответ на этот вопрос. [9]

Одним из способов классификации формул является количество количественных оценок. Формулы с меньшей глубиной чередования кванторов считаются более простыми, а формулы без кванторов - наиболее простыми.

Теория имеет устранение кванторов, если для каждой формулы существует другая формула без кванторов, эквивалентная ей ( по модулю этой теории).

Диапазон количественной оценки

Каждая количественная оценка включает в себя одну конкретную переменную и область обсуждения или диапазон количественной оценки этой переменной. Диапазон количественной оценки определяет набор значений, которые принимает переменная. В приведенных выше примерах диапазон количественной оценки представляет собой набор натуральных чисел. Спецификация диапазона количественной оценки позволяет нам выразить разницу между, скажем, утверждением, что предикат справедлив для некоторого натурального числа или для некоторого действительного числа . В пояснительных соглашениях часто резервируются имена некоторых переменных, такие как « n » для натуральных чисел и « x » для действительных чисел, хотя полагаться исключительно на соглашения об именах в целом не работает, поскольку диапазоны переменных могут меняться в ходе математических рассуждений.

Универсальная количественная формула для пустого диапазона (например , ) всегда бессмысленно верна . И наоборот, экзистенциально квантифицированная формула для пустого диапазона (например, ) всегда ложна.

Более естественный способ ограничить область дискурса – это осторожный количественный анализ . Например, защищенная количественная оценка

Для некоторого натурального числа n n четно и n простое число.

означает

Для некоторого четного числа n n является простым.

В некоторых математических теориях предполагается заранее установленная единая область дискурса. Например, в теории множеств Цермело – Френкеля переменные варьируются во всех множествах. В этом случае можно использовать защищенные квантификаторы для имитации меньшего диапазона количественной оценки. Таким образом, в приведенном выше примере, чтобы выразить

Для каждого натурального числа n n · 2 = n + n

в теории множеств Цермело – Френкеля можно было бы написать

Для каждого n , если n принадлежит N , то n ·2 = n + n ,

где N — множество всех натуральных чисел.

Формальная семантика

Математическая семантика — это применение математики для изучения значения выражений формального языка. Он состоит из трех элементов: математической спецификации класса объектов посредством синтаксиса , математической спецификации различных семантических областей и связи между ними, которая обычно выражается как функция от синтаксических объектов к семантическим. В этой статье рассматривается только вопрос интерпретации элементов-квантификаторов. Синтаксис формулы может быть задан синтаксическим деревом. Квантор имеет область действия , и появление переменной x является свободным , если оно не находится в области количественного определения этой переменной. Таким образом, в

появление x и y в C ( y , x ) является свободным, тогда как появление x и y в B ( y , x ) связано (т.е. несвободно).

Синтаксическое дерево формулы , иллюстрирующее область действия и захват переменных. Вхождения связанных и свободных переменных окрашены в красный и зеленый цвета соответственно.

Интерпретация исчисления предикатов первого порядка предполагает , что задана область индивидуумов X . Формула A , свободными переменными которой являются x 1 , ..., x n , интерпретируется как логическая -значная функция F ( v 1 , ..., v n ) от n аргументов, где каждый аргумент находится в пределах области X . Логическое значение означает, что функция принимает одно из значений T (интерпретируется как истина) или F (интерпретируется как ложь). Интерпретация формулы

— это функция G от n -1 аргументов такая, что G ( v 1 , ..., v n -1 ) = T тогда и только тогда, когда F ( v 1 , ..., v n -1 , w ) = T для каждый w в X. _ Если F ( v 1 , ..., v n -1 , w ) = F хотя бы для одного значения w , то G ( v 1 , ..., v n -1 ) = F . Аналогично интерпретация формулы

— это функция H от n -1 аргументов такая, что H ( v 1 , ..., v n -1 ) = T тогда и только тогда, когда F ( v 1 , ..., v n -1 , w ) = T для хотя бы один w и H ( v 1 , ..., v n -1 ) = F в противном случае.

Семантика количественной оценки уникальности требует исчисления предикатов первого порядка с равенством. Это означает, что дан выделенный двухместный предикат "="; семантика также соответствующим образом изменяется, так что "=" всегда интерпретируется как отношение равенства двух мест на X . Интерпретация

то это функция от n -1 аргументов, которая является логической и интерпретацией

Каждый вид количественной оценки определяет соответствующий оператор замыкания в наборе формул путем добавления для каждой свободной переменной x квантора для привязки x . [10] Например, экзистенциальным замыканием открытой формулы n >2 ∧ x n + y n = z n является замкнутая формула ∃ nxyz ( n >2 ∧ x n + y n = z n ); Последняя формула, если ее интерпретировать в отношении целых положительных чисел, известна как неверная согласно Великой теореме Ферма . Другой пример: эквациональные аксиомы, такие как x + y = y + x , обычно предназначены для обозначения их универсального замыкания , например ∀ xy ( x + y = y + x ) для выражения коммутативности .

Паукаля, мульталя и других кванторов степени.

Ни один из ранее обсуждавшихся кванторов не применим к таким количественным показателям, как

Существует множество целых чисел n < 100, таких, что n делится на 2, 3 или 5.

Один из возможных механизмов интерпретации можно получить следующим образом: предположим, что в дополнение к семантической области X мы дали вероятностную меру P, определенную на X , и числа обрезания 0 < ab ≤ 1. Если A — формула со свободными переменными x 1 ,..., x n , интерпретацией которой является функция F переменных v 1 ,..., v n , то интерпретация

является функцией v 1 ,..., v n -1 , которая равна T тогда и только тогда, когда

и F в противном случае. Аналогично, интерпретация

является функцией v 1 ,..., v n -1 , которая является F тогда и только тогда, когда

и Т в противном случае.

Другие квантификаторы

Со временем было предложено несколько других квантификаторов. В частности, в кванторе решения [11] :28  отмечен § ( знак раздела ) и прочитано «те». Например,

читается как «те n из N такие, что n 2 ≤ 4 находятся в {0,1,2}». Та же конструкция выражается в нотации построителя множеств как

В отличие от других кванторов, § дает набор, а не формулу. [12]

Некоторые другие квантификаторы, иногда используемые в математике, включают:

История

Термин логика , также называемый аристотелевской логикой, рассматривает количественную оценку способом, который ближе к естественному языку, а также менее подходит для формального анализа. Термин «логика» рассматривал «Все », «Некоторые » и «Нет» в IV веке до нашей эры, в отчете также затрагивались алетические модальности .

В 1827 году Джордж Бентам опубликовал свою книгу «Очерк новой системы логики: с критическим исследованием элементов логики доктора Уэйтли» , описывающую принцип квантора, но книга не получила широкого распространения. [13]

Огастес Де Морган (1806–1871) был первым, кто использовал «квантификатор» в современном смысле.

Уильям Гамильтон утверждал, что ввел термины «количественная оценка» и «количественная оценка», скорее всего, в своих лекциях в Эдинбурге ок. 1840. Огастес Де Морган подтвердил это в 1847 году, но современное использование началось с Де Моргана в 1862 году, когда он сделал такие утверждения, как «Мы ​​должны принять как все , так и некоторые-не-все в качестве квантификаторов». [14]

Готтлоб Фреге в своей книге «Begriffsschrift» 1879 года был первым, кто использовал квантор для привязки переменной, охватывающей область дискурса и появляющейся в предикатах . Он давал универсальную количественную оценку переменной (или отношению), записывая переменную над ямочкой прямой линией, которая в противном случае появлялась в его схематических формулах. Фреге не разработал явного обозначения для экзистенциальной количественной оценки, вместо этого использовал свой эквивалент ~∀ x ~, или контрапозицию . Толкование Фреге количественной оценки оставалось практически незамеченным до появления в 1903 году Бертрана Рассела «Принципов математики» .

В работе, кульминацией которой стала работа Пирса (1885), Чарльз Сандерс Пирс и его ученик Оскар Говард Митчелл независимо друг от друга изобрели универсальные и экзистенциальные кванторы, а также связанные переменные . Пирс и Митчелл написали Π x и Σ x , где мы теперь пишем ∀ x и ∃ x . Обозначения Пирса можно найти в трудах Эрнста Шредера , Леопольда Левенхайма , Торальфа Сколема и польских логиков 1950-х годов. В частности, это обозначение знаковой статьи Курта Гёделя 1930 года о полноте логики первого порядка и статьи 1931 года о неполноте арифметики Пеано .

Подход Пирса к количественному определению также повлиял на Уильяма Эрнеста Джонсона и Джузеппе Пеано , которые изобрели еще одно обозначение, а именно ( x ) для универсального количественного определения x и (в 1897 году) ∃ x для экзистенциального количественного определения x . Следовательно, на протяжении десятилетий каноническими обозначениями в философии и математической логике были ( x ) P , чтобы выразить «все индивидуумы в области дискурса обладают свойством , и «(∃ x ) P », поскольку «существует хотя бы один индивидуум в область дискурса, обладающая свойством P ». Пеано, который был гораздо более известен, чем Пирс, фактически распространил взгляды последнего по всей Европе. Обозначения Пеано были приняты Principia Mathematica Уайтхеда и Рассела , Куайна и Алонзо Чёрча . В 1935 году Генцен ввёл символ ∀ по аналогии с символом ∃ Пеано. ∀ не стал каноническим до 1960-х годов.

Примерно в 1895 году Пирс начал разрабатывать свои экзистенциальные графики , переменные которых можно рассматривать как неявно выраженные количественно. Является ли самый мелкий экземпляр переменной четным или нечетным, определяет, является ли количественная оценка этой переменной универсальной или экзистенциальной. (Поверхностность противоположна глубине, которая определяется вложением отрицаний.) Графическая логика Пирса в последние годы привлекла некоторое внимание тех, кто исследует гетерогенные рассуждения и диаграммные выводы .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кашеф, Арман. (2023), В поисках универсальной логики: краткий обзор эволюции формальной логики, doi :10.13140/RG.2.2.24043.82724/1
  2. ^ «Предикаты и квантификаторы». www.csm.ornl.gov . Проверено 4 сентября 2020 г.
  3. ^ «1.2 Кванторы». www.whitman.edu . Проверено 4 сентября 2020 г.
  4. ^ КР Апт (1990). «Логическое программирование». Ян ван Леувен (ред.). Формальные модели и семантика . Справочник по теоретической информатике. Том. Б. Эльзевир. стр. 493–574. ISBN 0-444-88074-7.Здесь: стр.497
  5. ^ Швихтенберг, Гельмут; Вайнер, Стэнли С. (2009). Доказательства и вычисления. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9781139031905. ISBN 978-1-139-03190-5.
  6. ^ Джон Э. Хопкрофт и Джеффри Д. Уллман (1979). Введение в теорию автоматов, языки и вычисления . Ридинг/Массачусетс: Аддисон-Уэсли. ISBN 0-201-02988-Х.Здесь: стр.344
  7. ^ Ганс Гермес (1973). Введение в математическую логику . Hochschultext (Springer-Verlag). Лондон: Спрингер. ISBN 3540058192. ISSN  1431-4657.Здесь: Деф. II.1.5
  8. ^ Глебский, Ю. В.; Коган, Д.И.; Лиогонький, М.И.; Таланов, В.А. (1972). «Область и степень реализуемости формул ограниченного исчисления предикатов». Кибернетика . 5 (2): 142–154. дои : 10.1007/bf01071084. ISSN  0011-4235. S2CID  121409759.
  9. ^ Браун 2002.
  10. ^ в общем, для квантифера Q замыкание имеет смысл только в том случае, если порядок квантификации Q не имеет значения, т.е. если Q x Q y p ( x , y ) эквивалентно Q y Q x p ( x , y ). Это выполнено для Q ∈ {∀,∃}, ср. #Порядок квантификаторов (вложенность) выше.
  11. ^ Хенер, Эрик CR , 2004, Практическая теория программирования, 2-е издание, стр. 28
  12. ^ Хенер (2004) использует термин «квантификатор» в очень общем смысле, включая, например, суммирование .
  13. ^ Джордж Бентам, Очерк новой системы логики: с критическим анализом «Элементов логики» доктора Уэйтли (1827); Томмес; Факсимильное издание (1990) ISBN 1-85506-029-9 
  14. ^ Питерс, Стэнли; Вестерстол, Даг (27 апреля 2006 г.). Кванторы в языке и логике. Кларендон Пресс. стр. 34–. ISBN 978-0-19-929125-0.

Библиография

Внешние ссылки