stringtranslate.com

Допустимое правило

В логике правило вывода допустимо в формальной системе , если набор теорем системы не изменяется при добавлении этого правила к существующим правилам системы. Другими словами, каждая формула , которая может быть выведена с использованием этого правила, уже выводима без этого правила, поэтому, в некотором смысле, она избыточна. Понятие допустимого правила было введено Полом Лоренценом (1955).

Определения

Допустимость систематически изучалась только в случае структурных (т.е. замкнутых относительно подстановки ) правил в пропозициональных неклассических логиках , которые мы опишем далее.

Пусть набор основных пропозициональных связок фиксирован (например, в случае суперинтуиционистских логик или в случае мономодальных логик ). Правильно построенные формулы строятся свободно с использованием этих связок из счетно бесконечного набора пропозициональных переменных p 0 , p 1 , .... Подстановка σ — это функция из формул в формулы, которая коммутирует с применениями связок, т.е.

для каждой связки f и формул A 1 , ... , A n . (Мы также можем применять подстановки к наборам Γ формул, делая σ Γ = { σA : A ∈ Γ}. ) Отношение следствия в стиле Тарского [1] — это отношение между наборами формул и формулами, такое, что

  1. если то («ослабление»)
  2. если и тогда («композиция»)

для всех формул A , B и наборов формул Γ, Δ. Отношение следствия такое, что

  1. если тогда

для всех подстановок σ называется структурным . (Обратите внимание, что термин «структурный», используемый здесь и далее, не связан с понятием структурных правил в секвенциальных исчислениях .) Структурное отношение следования называется пропозициональной логикой . Формула A является теоремой логики , если .

Например, мы отождествляем суперинтуиционистскую логику L с ее стандартным отношением следствия, порожденным modus ponens и аксиомами, а нормальную модальную логику — с ее глобальным отношением следствия, порожденным modus ponens, необходимостью и (как аксиомами) теоремами логики.

Правило структурного вывода [2] (или просто правило для краткости) задается парой (Γ, B ), обычно записываемой как

где Γ = { A 1 , ... , A n } — конечный набор формул, а B — формула. Примером правила является

для подстановки σ . Правило Γ/ B выводимо в , если . Оно допустимо, если для каждого экземпляра правила σB является теоремой всякий раз, когда все формулы из σ Γ 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 допустимо. (Заметим, что является структурным отношением следствия само по себе.)

Каждое выводимое правило допустимо, но не наоборот в общем случае. Логика структурно полна, если каждое допустимое правило выводимо, т.е. . [5]

В логиках с хорошо ведущейся связкой конъюнкции (таких как суперинтуиционистская или модальная логика) правило эквивалентно в отношении допустимости и выводимости. Поэтому принято иметь дело только с унарными правилами A / B .

Примеры

допустимо в интуиционистском пропозициональном исчислении ( ИПС ). Фактически, оно допустимо в любой суперинтуиционистской логике. [7] С другой стороны, формула
не является интуиционистской теоремой; следовательно, KPR невыводима в IPC . В частности, IPC не является структурно полной.
допустимо во многих модальных логиках, таких как K , D , K 4 , S 4 , GL (см. эту таблицу для названий модальных логик). Оно выводимо в S 4 , но не выводимо в K , D , K 4 или GL .
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 недопустимо в K 4. В частности, в общем случае неверно , что правило, допустимое в логике L, должно быть допустимым в ее расширениях.

Разрешимость и сокращенные правила

Основной вопрос о допустимых правилах данной логики заключается в том, разрешимо ли множество всех допустимых правил . Обратите внимание, что проблема нетривиальна, даже если сама логика (т. е. ее множество теорем) разрешима : определение допустимости правила A / B включает неограниченный всеобщий квантор по всем пропозициональным подстановкам. Следовательно, априори мы знаем только, что допустимость правила в разрешимой логике (т. е. ее дополнение рекурсивно перечислимо ). Например, известно, что допустимость в бимодальных логиках K u и K 4 u (расширения K или K 4 с универсальной модальностью) неразрешима. [11] Примечательно, что разрешимость допустимости в базовой модальной логике K является крупной открытой проблемой.

Тем не менее, известно, что допустимость правил разрешима во многих модальных и суперинтуиционистских логиках. Первые процедуры принятия решений для допустимых правил в базовых транзитивных модальных логиках были построены Рыбаковым с использованием редуцированной формы правил . [12] Модальное правило от переменных p 0 , ... , p k называется редуцированным, если оно имеет вид

где каждое из них либо пустое, либо отрицание . Для каждого правила r мы можем эффективно построить сокращенное правило s (называемое сокращенной формой r ), такое, что любая логика допускает (или выводит) r тогда и только тогда, когда она допускает (или выводит) s , вводя переменные 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.

Пусть будет приведенным правилом, как указано выше. Мы отождествляем каждую конъюнкцию с множеством ее конъюнктов. Для любого подмножества W множества всех конъюнкций определим модель Крипке следующим образом:

Тогда следующее дает алгоритмический критерий допустимости в K 4: [13]

Теорема . Правило недопустимо в K 4 тогда и только тогда , когда существует множество такое, что

  1. для некоторых
  2. для каждого
  3. для каждого подмножества D из W существуют элементы, такие что эквивалентности
тогда и только тогда, когда для каждого
тогда и только тогда, когда и для каждого
справедливо для всех j .

Аналогичные критерии можно найти для логик S4 , GL и Grz . [14] Более того, допустимость в интуиционистской логике можно свести к допустимости в Grz с помощью перевода Гёделя–МакКинси–Тарского : [15]

если и только если

Рыбаков (1997) разработал гораздо более сложные методы для демонстрации разрешимости допустимости, которые применяются к надежному (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 вышеупомянутые 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 , K4 , S4 , GL , Grz является coNEXP -полной. [17] Это следует противопоставить проблеме выводимости (для правил или формул) в этих логиках, которая является PSPACE -полной. [18]

Проективность и унификация

Допустимость в пропозициональных логиках тесно связана с унификацией в эквациональной теории модальных или гейтинговых алгебр . Связь была разработана Гиларди (1999, 2000). В логической установке унификатор формулы A в языке логики L ( сокращенно L -унификатор) — это подстановка σ такая, что σA — теорема L. (Используя это понятие, мы можем перефразировать допустимость правила A / B в L как «каждый L -унификатор A является L -унификатором B ».) L - унификатор σ менее общий , чем L -унификатор τ , записываемый как στ , если существует подстановка υ такая, что

для каждой переменной p . Полный набор унификаторов формулы A — это набор S L -унификаторов A такой, что каждый L -унификатор A менее общий, чем некоторый унификатор из S . Самый общий унификатор (MGU) A — это унификатор σ такой, что { σ } — полный набор унификаторов A . Отсюда следует, что если S — полный набор унификаторов A , то правило A / B является L -допустимым тогда и только тогда, когда каждый σ в S является L -унификатором B . Таким образом, мы можем охарактеризовать допустимые правила, если мы можем найти хорошо ведущие себя 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 формулы B . Обратите внимание, что σ является МГУ A . В транзитивных модальных и суперинтуиционистских логиках со свойством конечной модели можно семантически охарактеризовать проективные формулы как те, набор конечных L -моделей которых имеет свойство расширения : [19] если M является конечной L -моделью Крипке с корнем r , кластер которого является синглетоном , и формула A верна во всех точках M , за исключением r , то мы можем изменить оценку переменных в r так, чтобы сделать A истинной и в r . Более того, доказательство дает явное построение МГУ для заданной проективной формулы A .

В основных транзитивных логиках IPC , K4 , S4 , GL , Grz (и, в более общем смысле, в любой транзитивной логике со свойством конечной модели, множество конечной рамки которой удовлетворяет другому виду свойства расширения) мы можем эффективно построить для любой формулы A ее проективное приближение Π( A ): [20] конечное множество проективных формул, такое что

  1. для каждого
  2. каждый объединитель A является объединителем формулы из Π( A ).

Отсюда следует, что множество MGU элементов Π( A ) является полным множеством унификаторов A . Кроме того, если P является проективной формулой, то

если и только если

для любой формулы B. Таким образом, мы получаем следующую эффективную характеристику допустимых правил: [21]

если и только если

Основы допустимых правил

Пусть L — логика. Множество R L -допустимых правил называется базисом [22] допустимых правил, если каждое допустимое правило Γ/ B может быть выведено из R и выводимых правил L с помощью подстановки, композиции и ослабления. Другими словами, R является базисом тогда и только тогда, когда — наименьшее структурное отношение следования, включающее и R .

Обратите внимание, 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, множество допустимых правил всегда ко-рекурсивно перечислимо, и если у нас далее есть рекурсивно перечислимый базис, множество допустимых правил также рекурсивно перечислимо; следовательно, оно разрешимо. (Другими словами, мы можем решить о допустимости A / B с помощью следующего алгоритма : мы запускаем параллельно два исчерпывающих поиска , один для подстановки 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 базы допустимых правил полезны для некоторых приложений, например, при оценке сложности доказательств . [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, очень мало можно сказать о существовании баз с желаемыми свойствами. Например, в то время как табличные логики, как правило, хорошо себя ведут и всегда конечно аксиоматизируемы, существуют табличные модальные логики без конечного или независимого базиса правил. [24] Конечные базисы относительно редки: даже базовые транзитивные логики IPC , K4 , S4 , GL , Grz не имеют конечного базиса допустимых правил, [25] хотя они имеют независимые базисы. [26]

Примеры баз

являются основой допустимых правил в МПК или КС . [28]
являются основой допустимых правил GL . [29] (Обратите внимание, что пустая дизъюнкция определяется как .)
являются основой допустимых правил S 4 или Grz . [30]

Семантика допустимых правил

Правило Γ/ B справедливо в модальной или интуиционистской системе Крипке , если для каждой оценки в F справедливо следующее :

если для всех , то .

( При необходимости определение легко обобщается на общие рамки .)

Пусть X — подмножество W , а t — точка в W. Мы говорим, что t — это

Мы говорим , что фрейм F имеет рефлексивных (иррефлексивных) плотных предшественников, если для каждого конечного подмножества X из W существует рефлексивный (иррефлексивный) плотный предшественник X в W.

У нас есть: [31]

Обратите внимание, что, за исключением нескольких тривиальных случаев, фреймы с плотными предшественниками должны быть бесконечными. Следовательно, допустимые правила в базовых транзитивных логиках не обладают свойством конечной модели.

Структурная завершенность

Хотя общая классификация структурно полных логик — непростая задача, мы хорошо разбираемся в некоторых частных случаях.

Интуиционистская логика сама по себе не является структурно полной, 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, правило Минца

допустимо в интуиционистской логике, но невыводимо и содержит только импликации и дизъюнкции.

Мы знаем максимальные структурно неполные транзитивные логики. Логика называется наследственно структурно полной , если любое расширение структурно полно. Например, классическая логика, а также логики LC и Grz .3, упомянутые выше, являются наследственно структурно полными. Полное описание наследственно структурно полных суперинтуиционистских и транзитивных модальных логик было дано соответственно Циткиным и Рыбаковым. А именно, суперинтуиционистская логика является наследственно структурно полной тогда и только тогда, когда она не верна ни в одной из пяти рамок Крипке [9]

Аналогично, расширение K4 является наследственно структурно полным тогда и только тогда, когда оно недействительно ни в одной из двадцати определенных систем Крипке (включая пять интуиционистских систем, указанных выше). [9]

Существуют структурно полные логики, которые не являются наследственно структурно полными: например, логика Медведева структурно полна, [33] но она входит в структурно неполную логику KC .

Варианты

Правило с параметрами — это правило вида

чьи переменные делятся на "обычные" переменные p i и параметры s i . Правило является L -допустимым, если каждый L -объединитель σ для A такой, что σs i  =  s i для каждого i, является также унификатором B . Основные результаты разрешимости для допустимых правил также переносятся на правила с параметрами. [34]

Правило множественного вывода — это пара (Γ,Δ) двух конечных наборов формул, записанная как

Такое правило допустимо, если каждый объединитель Γ является также объединителем некоторой формулы из Δ. [35] Например, логика L непротиворечива , если и только если она допускает правило

и суперинтуиционистская логика имеет свойство дизъюнкции тогда и только тогда, когда она допускает правило

Опять же, основные результаты по допустимым правилам легко обобщаются на правила множественного вывода. [36] В логиках с вариантом свойства дизъюнкции правила множественного вывода имеют ту же выразительную силу, что и правила единственного вывода: например, в S 4 правило выше 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 сечения , сказав, что секвенциальное исчисление без сечения допускает правило сечения

(Иногда, злоупотребляя языком, говорят, что (полное) секвенциальное исчисление допускает разрез, имея в виду его версию без разрезов.) Однако допустимость в секвенциальном исчислении обычно является лишь вариантом обозначения допустимости в соответствующей логике: любое полное исчисление для (скажем) интуиционистской логики допускает правило секвенции тогда и только тогда, когда IPC допускает правило формулы, которое мы получаем, переводя каждую секвенцию в ее характеристическую формулу .

Примечания

  1. ^ Блок и Пигоцци (1989), Крахт (2007)
  2. ^ Рыбаков (1997), Опр. 1.1.3
  3. ^ Рыбаков (1997), Опр. 1.7.2
  4. ^ От теоремы де Йонга к интуиционистской логике доказательств
  5. ^ Рыбаков (1997), Опр. 1.7.7
  6. ^ Чагров и Захарьящев (1997), Thm. 1,25
  7. ^ Prucnal (1979), см. Iemhoff (2006)
  8. ^ Рыбаков (1997), стр. 439
  9. ^ abc Рыбаков (1997), Теория 5.4.4, 5.4.8
  10. ^ Синтула и Меткалф (2009)
  11. ^ Вольтер и Захарьящев (2008)
  12. ^ Рыбаков (1997), §3.9
  13. ^ Рыбаков (1997), Теория 3.9.3
  14. Рыбаков (1997), Теория 3.9.6, 3.9.9, 3.9.12; ср. Чагров и Захарьящев (1997), §16.7
  15. ^ Рыбаков (1997), Теория 3.2.2
  16. ^ Рыбаков (1997), §3.5
  17. ^ Ержабек (2007)
  18. ^ Чагров и Захарьящев (1997), §18.5
  19. ^ Гиларди (2000), Теория 2.2
  20. ^ Гиларди (2000), стр. 196
  21. ^ Гиларди (2000), Теория 3.6
  22. ^ Рыбаков (1997), Опр. 1.4.13
  23. ^ Минц и Кожевников (2004)
  24. ^ Рыбаков (1997), Теория 4.5.5
  25. ^ Рыбаков (1997), §4.2
  26. ^ Ержабек (2008)
  27. ^ Рыбаков (1997), Кор. 4.3.20
  28. ^ Йемхофф (2001, 2005), Розьер (1992)
  29. ^ Ержабек (2005)
  30. ^ Ержабек (2005, 2008)
  31. ^ Иемхофф (2001), Ержабек (2005)
  32. ^ Рыбаков (1997), Thms. 5.5.6, 5.5.9
  33. ^ Прукнал (1976)
  34. ^ Рыбаков (1997), §6.1
  35. ^ Ержабек (2005); ср. Крахт (2007), §7
  36. ^ Ержабек (2005, 2007, 2008)

Ссылки