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).
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
для всех формул A , B и наборов формул Γ, Δ. Отношение следствия такое, что
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 .
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
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]
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]
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 σ ≤ τ , 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
Отсюда следует, что множество MGU элементов Π( A ) является полным множеством унификаторов A . Кроме того, если P является проективной формулой, то
для любой формулы B. Таким образом, мы получаем следующую эффективную характеристику допустимых правил: [21]
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]
Правило Γ/ B справедливо в модальной или интуиционистской системе Крипке , если для каждой оценки в F справедливо следующее :
( 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.
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 .
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 .