В логике , а точнее в теории доказательств , система Гильберта , иногда называемая исчислением Гильберта , системой в стиле Гильберта , системой доказательств в стиле Гильберта , дедуктивной системой в стиле Гильберта или системой Гильберта–Аккермана , представляет собой тип формальной системы доказательств , приписываемой Готтлобу Фреге [1] и Дэвиду Гильберту . [2] Эти дедуктивные системы чаще всего изучаются для логики первого порядка , но представляют интерес и для других логик.
Она определяется как дедуктивная система, которая генерирует теоремы из аксиом и правил вывода, [3] [4] [5] особенно если единственным правилом вывода является modus ponens . [6] [7] Каждая система Гильберта является аксиоматической системой , которая используется многими авторами как единственный менее конкретный термин для объявления их систем Гильберта, [8] [9] [10] без упоминания каких-либо более конкретных терминов. В этом контексте «системы Гильберта» противопоставляются естественным системам вывода , [3] в которых не используются никакие аксиомы, а только правила вывода.
В то время как все источники, которые ссылаются на «аксиоматическую» логическую систему доказательства, характеризуют ее просто как логическую систему доказательства с аксиомами, источники, которые используют варианты термина «система Гильберта», иногда определяют ее по-разному, что не будет использоваться в этой статье. Например, Троэльстра определяет «систему Гильберта» как систему с аксиомами и с и как единственными правилами вывода. [11] Конкретный набор аксиом также иногда называют «системой Гильберта», [12] или «исчислением в стиле Гильберта». [13] Иногда «стиль Гильберта» используется для обозначения типа аксиоматической системы, в которой аксиомы даны в схематической форме, [2] как в § Схематическая форма P2 ниже, — но другие источники используют термин «стиль Гильберта» как охватывающий как системы со схематическими аксиомами, так и системы с правилом подстановки, [14] как в этой статье. Использование термина «стиль Гильберта» и подобных ему терминов для описания аксиоматических систем доказательств в логике обусловлено влиянием « Принципов математической логики » Гильберта и Аккермана (1928). [2]
Большинство вариантов систем Гильберта придерживаются характерного подхода, балансируя между логическими аксиомами и правилами вывода . [1] [15] [16] [17] Системы Гильберта можно охарактеризовать выбором большого количества схем логических аксиом и небольшого набора правил вывода . Системы естественного вывода придерживаются противоположного подхода, включая много правил вывода, но очень мало или вообще не содержат схем аксиом. [3] Наиболее часто изучаемые системы Гильберта имеют либо только одно правило вывода — modus ponens , для пропозициональных логик , либо два — с обобщением , для обработки также и предикатных логик , — и несколько бесконечных схем аксиом. Системы Гильберта для алетических модальных логик , иногда называемые системами Гильберта-Льюиса, дополнительно требуют правила необходимости. Некоторые системы используют конечный список конкретных формул в качестве аксиом вместо бесконечного набора формул через схемы аксиом, в этом случае требуется правило единой подстановки. [18]
Характерной чертой многих вариантов систем Гильберта является то, что контекст не изменяется ни в одном из их правил вывода, в то время как и естественная дедукция , и секвенциальное исчисление содержат некоторые правила изменения контекста. [19] Таким образом, если кого-то интересует только выводимость тавтологий , а не гипотетические суждения, то можно формализовать систему Гильберта таким образом, что ее правила вывода будут содержать только суждения довольно простой формы. То же самое нельзя сделать с двумя другими системами выводов: [ требуется цитата ] поскольку контекст изменяется в некоторых из их правил вывода, их нельзя формализовать так, чтобы можно было избежать гипотетических суждений — даже если мы хотим использовать их только для доказательства выводимости тавтологий.
Формальные вычеты
В системе Гильберта формальный вывод (или доказательство ) — это конечная последовательность формул, в которой каждая формула является либо аксиомой, либо получена из предыдущих формул с помощью правила вывода. Эти формальные выводы призваны отражать доказательства на естественном языке, хотя они гораздо более подробны.
Предположим, что есть набор формул, рассматриваемых как гипотезы . Например, может быть набором аксиом для теории групп или теории множеств . Обозначение означает, что есть вывод, который заканчивается использованием в качестве аксиом только логических аксиом и элементов . Таким образом, неформально, означает, что доказуемо, предполагая все формулы в .
Системы Гильберта характеризуются использованием многочисленных схем логических аксиом . Схема аксиом — это бесконечное множество аксиом, полученных путем подстановки всех формул некоторой формы в определенный шаблон. Множество логических аксиом включает в себя не только аксиомы, полученные из этого шаблона, но и любое обобщение одной из этих аксиом. Обобщение формулы получается путем добавления к формуле нуля или более кванторов всеобщности; например, это обобщение .
Логика высказываний
Ниже приведены некоторые системы Гильберта, которые использовались в пропозициональной логике . Одна из них, § Схематическая форма P2, также считается системой Фреге .
ФрегеBegriffsschrift
Аксиоматические доказательства использовались в математике со времен знаменитого древнегреческого учебника «Элементы геометрии» Евклида , ок . 300 г. до н. э. Но первая известная полностью формализованная система доказательств, которая тем самым квалифицируется как система Гильберта, восходит к Begriffsschrift Готтлоба Фреге 1879 года . [9] [20] Система Фреге использовала только импликацию и отрицание в качестве связок, [21] и имела шесть аксиом, [20] которые были следующими: [22] [23]
Предложение 1:
Предложение 2:
Предложение 8:
Предложение 28:
Предложение 31:
Предложение 41:
Фреге использовал их вместе с modus ponens и правилом подстановки (которое использовалось, но никогда точно не формулировалось), чтобы получить полную и последовательную аксиоматизацию классической истинностно-функциональной пропозициональной логики. [22]
Лукасевич P2
Ян Лукасевич показал, что в системе Фреге «третья аксиома излишняя, поскольку ее можно вывести из двух предыдущих аксиом, и что последние три аксиомы можно заменить одним предложением ». [23] Что, взятое из польской записи Лукасевича в современную запись, означает . Таким образом, Лукасевичу приписывают [20] эту систему из трех аксиом:
Как и система Фреге, эта система использует правило подстановки и использует modus ponens в качестве правила вывода. [20] Точно такую же систему (с явным правилом подстановки) дал Алонзо Чёрч , [24] который назвал её системой P 2, [24] [25] и помог популяризировать её. [25]
Схематическая форма P2
Можно избежать использования правила подстановки, представив аксиомы в схематической форме, используя их для создания бесконечного набора аксиом. Следовательно, используя греческие буквы для представления схем (металогических переменных, которые могут обозначать любые правильно сформированные формулы ), аксиомы задаются как: [9] [25]
Схематическая версия P 2 приписывается Джону фон Нейману [ 20] и используется в базе данных формальных доказательств Metamath "set.mm". [25] Фактически, сама идея использования схем аксиом для замены правила подстановки приписывается фон Нейману. [26] Схематическая версия P 2 также приписывается Гильберту и названа в этом контексте. [27]
Системы для пропозициональной логики, правила вывода которых схематичны, также называются системами Фреге ; как отмечают авторы, которые изначально определили термин «система Фреге» [28] , это фактически исключает собственную систему Фреге, приведенную выше, поскольку она имела аксиомы вместо схем аксиом. [26]
Пример доказательства в P2
В качестве примера ниже приведено доказательство в P 2. Сначала аксиомам даны имена:
Существует неограниченное количество аксиоматизаций предикатной логики, поскольку для любой логики существует свобода в выборе аксиом и правил, характеризующих эту логику. Мы описываем здесь систему Гильберта с девятью аксиомами и только правилом modus ponens, которое мы называем аксиоматизацией с одним правилом и которое описывает классическую эквациональную логику. Мы имеем дело с минимальным языком для этой логики, где формулы используют только связки и и только квантор . Позже мы покажем, как систему можно расширить, включив дополнительные логические связки, такие как и , не расширяя класс выводимых формул.
Первые четыре схемы логических аксиом позволяют (вместе с modus ponens) манипулировать логическими связками.
Интуиционистская логика достигается путем добавления аксиом P4i и P5i к позитивной импликационной логике или путем добавления аксиомы P5i к минимальной логике. И P4i, и P5i являются теоремами классической пропозициональной логики.
П4и.
П5и.
Обратите внимание, что это схемы аксиом, которые представляют бесконечно много конкретных примеров аксиом. Например, P1 может представлять конкретный пример аксиомы или может представлять : это место, где может быть размещена любая формула. Такая переменная, которая ранжируется по формулам, называется «схематической переменной».
С помощью второго правила равномерной подстановки (US) мы можем изменить каждую из этих схем аксиом в одну аксиому, заменив каждую схематическую переменную некоторой пропозициональной переменной, которая не упоминается ни в одной аксиоме, чтобы получить то, что мы называем подстановочной аксиоматизацией. Обе формализации имеют переменные, но там, где аксиоматизация с одним правилом имеет схематические переменные, которые находятся вне языка логики, подстановочная аксиоматизация использует пропозициональные переменные, которые выполняют ту же работу, выражая идею переменной, ранжирующейся по формулам с правилом, которое использует подстановку.
НАС. Пусть будет формулой с одним или несколькими экземплярами пропозициональной переменной , и пусть будет другой формулой. Тогда из выведите .
Следующие три схемы логических аксиом предоставляют способы добавления, манипулирования и удаления универсальных квантификаторов.
Q5. где t может быть заменено на x в
В6.
Q7. где x не является свободным в .
Эти три дополнительных правила расширяют пропозициональную систему для аксиоматизации классической предикатной логики . Аналогично, эти три правила расширяют систему для интуиционистской пропозициональной логики (с P1-3 и P4i и P5i) до интуиционистской предикатной логики.
Универсальной квантификации часто придается альтернативная аксиоматизация с использованием дополнительного правила обобщения (см. раздел «Метатеоремы»), в этом случае правила Q6 и Q7 излишни.
Окончательные схемы аксиом необходимы для работы с формулами, содержащими символ равенства.
I8. для каждой переменной x .
И9.
Консервативные расширения
Обычно в систему Гильберта включают только аксиомы для логических операторов импликации и отрицания в направлении функциональной полноты . Учитывая эти аксиомы, можно сформировать консервативные расширения теоремы о дедукции , которые разрешают использование дополнительных связок. Эти расширения называются консервативными, потому что если формула φ, включающая новые связки, переписывается как логически эквивалентная формула θ, включающая только отрицание, импликацию и универсальную квантификацию, то φ выводима в расширенной системе тогда и только тогда, когда θ выводима в исходной системе. При полном расширении система Гильберта будет больше походить на систему естественной дедукции .
Поскольку системы Гильберта имеют очень мало правил вывода, обычно доказывают метатеоремы , которые показывают, что дополнительные правила вывода не добавляют дедуктивной силы, в том смысле, что вывод, использующий новые правила вывода, можно преобразовать в вывод, использующий только исходные правила вывода.
^ Gaifman, Haim (2002). "Дедуктивная система типа Гильберта для сентенциальной логики, полнота и компактность" (PDF) . Columbia . Получено 2024-08-19 .
^ Бентем, Йохан ван; Гупта, Амитабха; Парих, Рохит (2011-04-02). Доказательство, вычисление и агентство: логика на перепутье. Springer Science & Business Media. стр. 41. ISBN978-94-007-0080-2.
^ Бэкон, Эндрю (2023-09-29). Философское введение в логику высшего порядка. Тейлор и Фрэнсис. стр. 424. ISBN978-1-000-92575-3.
^ Эйк, Ян ван (26 февраля 1991 г.). Логика в искусственном интеллекте: Европейский семинар JELIA '90, Амстердам, Нидерланды, 10–14 сентября 1990 г. Материалы. Springer Science & Business Media. п. 113. ИСБН978-3-540-53686-4.
^ Хаак, Сьюзен (1978-07-27). Философия логики. Cambridge University Press. стр. 19. ISBN978-0-521-29329-7.
^ abc Bostock, David (1997). Промежуточная логика . Oxford: New York: Clarendon Press; Oxford University Press. стр. 4–5, 8–13, 18–19, 22, 27, 29, 191, 194. ISBN978-0-19-875141-0.
^ Лукас, Дж. Р. (2018-10-10). Трактат о времени и пространстве. Routledge. стр. 152. ISBN978-0-429-68517-0.
^ Troelstra, AS; Schwichtenberg, H. (2000). Basic Proof Theory. Cambridge Tracts in Theoretical Computer Science (2-е изд.). Кембридж: Cambridge University Press. стр. 51. doi : 10.1017/cbo9781139168717. ISBN978-0-521-77911-1.
^ "Введение в логику - Глава 4". intrologic.stanford.edu . Получено 2024-08-16 .
^ Басс, SR (1998-07-09). Справочник по теории доказательств. Elsevier. С. 552–553. ISBN978-0-08-053318-6.
^ Оно, Хироакира (2019-08-02). Теория доказательств и алгебра в логике. Springer. стр. 5. ISBN978-981-13-7997-0.
^ Бэкон, Эндрю (2023-09-29). Философское введение в логику высшего порядка. Тейлор и Фрэнсис. стр. 424. ISBN978-1-000-92575-3.
^ Эйк, Ян ван (26 февраля 1991 г.). Логика в искусственном интеллекте: Европейский семинар JELIA '90, Амстердам, Нидерланды, 10–14 сентября 1990 г. Материалы. Springer Science & Business Media. п. 113. ИСБН978-3-540-53686-4.
^ Troelstra, AS; Schwichtenberg, H. (2000). Basic Proof Theory. Cambridge Tracts in Theoretical Computer Science (2-е изд.). Кембридж: Cambridge University Press. стр. 51. doi : 10.1017/cbo9781139168717. ISBN978-0-521-77911-1.
^ Оно, Хироакира (2019-08-02). Теория доказательств и алгебра в логике. Springer. стр. 5. ISBN978-981-13-7997-0.
^ Габбай, Дов М.; Гюнтнер, Франц (2013-03-14). Справочник по философской логике. Springer Science & Business Media. стр. 201. ISBN978-94-017-0458-8.
^ abcde Smullyan, Raymond M. (2014-07-23). Руководство для начинающих по математической логике. Courier Corporation. С. 102–103. ISBN978-0-486-49237-7.
^ Фрэнкс, Кертис (2023), «Пропозициональная логика», в Zalta, Edward N.; Nodelman, Uri (ред.), The Stanford Encyclopedia of Philosophy (ред. осень 2023 г.), Metaphysics Research Lab, Stanford University , получено 22.03.2024
^ ab Мендельсон, Ричард Л. (2005-01-10). Философия Готтлоба Фреге. Cambridge University Press. стр. 185. ISBN978-1-139-44403-3.
^ Аб Лукасевич, Январь (1970). Ян Лукасевич: Избранные произведения. Северная Голландия. п. 136.
^ ab Church, Alonzo (1996). Введение в математическую логику. Princeton University Press. стр. 119. ISBN978-0-691-02906-1.
^ ab Кук, Стивен А.; Рекхоу, Роберт А. (1979). «Относительная эффективность систем пропозициональных доказательств». Журнал символической логики . 44 (1): 39. doi :10.2307/2273702. ISSN 0022-4812. JSTOR 2273702.
^ Валицкий, Михал (2017). Введение в математическую логику (Расширенное издание). Нью-Джерси: World Scientific. стр. 126. ISBN978-981-4719-95-7.
^ Пудлак, Павел; Бусс, Сэмюэл Р. (1995). «Как лгать, не будучи (легко) осужденным, и длина доказательств в исчислении высказываний». В Pacholski, Leszek; Tiuryn, Jerzy (ред.). Computer Science Logic . Lecture Notes in Computer Science. Vol. 933. Berlin, Heidelberg: Springer. p. 152. doi :10.1007/BFb0022253. ISBN978-3-540-49404-1.
Ссылки
Карри, Хаскелл Б.; Роберт Фейс (1958). Комбинаторная логика. Т. I. Т. 1. Амстердам: Северная Голландия.
Монк, Дж. Дональд (1976). Математическая логика . Тексты для выпускников по математике. Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag . ISBN 978-0-387-90170-1.
Тарский, Альфред (1990). Bizonyítás é igazság (на венгерском языке). Будапешт: Гондолат.Это венгерский перевод избранных статей Альфреда Тарского по семантической теории истины .
Давид Гильберт (1927) «Основания математики», перевод Стефана Бауэра-Менглерберга и Дагфинна Фёллесдаля (стр. 464–479). в:
ван Хейеноорт, Жан (1967). От Фреге до Гёделя: Учебник по математической логике, 1879–1931 (3-е издание, 1976 г.). Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 0-674-32449-8.
В своей работе 1927 года «Основания» (стр. 367–392) Гильберт представил свои 17 аксиом — аксиомы импликации № 1–4, аксиомы о & и V № 5–10, аксиомы отрицания № 11–12, свою логическую ε-аксиому № 13, аксиомы равенства № 14–15 и аксиомы чисел № 16–17 — вместе с другими необходимыми элементами своей формалистской «теории доказательств», например, аксиомами индукции, аксиомами рекурсии и т. д.; он также предлагает энергичную защиту от интуиционизма Л. Э. Брауэра. См. также комментарии и опровержения Германа Вейля (1927) (стр. 480–484), приложение Пола Бернея (1927) к лекции Гильберта (стр. 485–489) и ответ Луицена Эгбертуса Яна Брауэра (1927) (стр. 490–495).
Клини, Стивен Коул (1952). Введение в метаматематику (10-е издание с исправлениями 1971 г.). Амстердам, Нью-Йорк: North Holland Publishing Company. ISBN 0-7204-2103-9.
См., в частности, главу IV «Формальная система» (стр. 69–85), в которой Клини представляет подразделы §16 «Формальные символы», §17 «Правила формирования», §18 «Свободные и связанные переменные (включая подстановку)», §19 «Правила преобразования» (например, modus ponens) — и из них он представляет 21 «постулат» — 18 аксиом и 3 отношения «непосредственного следствия», разделенные следующим образом: постулаты для исчисления высказываний № 1–8, дополнительные постулаты для исчисления предикатов № 9–12 и дополнительные постулаты для теории чисел № 13–21.
Внешние ссылки
Гайфман, Хаим. «Дедуктивная система типа Гильберта для сентенциальной логики, полнота и компактность» (PDF) .
Фармер, В. М. «Пропозициональная логика» (PDF) .В нем описывается (среди прочего) конкретная система доказательств в стиле Гильберта (ограниченная исчислением высказываний ).