background image

1.   Elementy   logiki   matematycznej,   rachunek   zdań,   funkcje   zdaniowe, 
metody dowodzenia, rachunek predykatów

Logika matematyczna, dział matematyki zajmujący się badaniem własności wnioskowania 
(dowodzenia)   matematycznego   oraz   modeli   teorii   matematycznych.   Początki   logiki 

matematycznej   sięgają   drugiej   połowy   XIX w.   (G.Boole,   Ch.Peirce,   G.Peano),   ale   jej 
uformowanie   się   i   rozwój   przypadają   na   wiek   XX   (G.Frege,   D.Hilbert,   B.Russell). 

Najciekawsze odkrycia w logice matematycznej poczynili K.Gödel i A.Tarski w latach 30 XX 
wieku. Oprócz logiki ogólnej (obejmującej także logikę intuicjonistyczną, logiki modalne i 

in.) wyodrębnia się w logice matematycznej następujące działy: 

teorię   modeli,   badającą   związki   między   zbiorami   zdań   (formuł)   a ich   modelami,  

a także podającą konstrukcje modeli o specjalnych własnościach (A.Tarski, R.Vaught, 
T.Skolem); 

teorię rekursji, badającą efektywność konstrukcji matematycznych i logicznych oraz 
rozstrzygalność teorii; teoria ta bazuje na pojęciu funkcji obliczalnej (rekurencyjnej) 

wprowadzonym przez K. Gödla i niezależnie przez A. Turinga; 

teorię   dowodu,   badającą   strukturę   dowodów   matematycznych   i zagadnienia 

konstruktywności w matematyce (D.Hilbert, J.Herbrand, L.E.J.Brouwer, G.Gentzen).

background image

Logika zdań, rachunek zdań

Zdanie logiczne  jest to wypowiedź,  w  której  orzeka  się coś  o czymś,  czyli  w  terminach 

tradycyjnej gramatyki jest to zdanie oznajmujące.

W logice dwuwartościowej (klasycznej) zakłada się, że każde poprawnie zbudowane zdanie 

jest albo prawdziwe albo fałszywe jest to tak zwana zasada sprzeczności. 

„Prawdę” bądź „fałsz” nazywamy wartością logiczną (stałą logiczną) zdania i oznaczamy 

odpowiednio przez P lub 1 oraz F lub 0.

Logika   zdań   bada   prawdziwość   zdań   złożonych   zależnie   od   wartości   logicznych   zdań 

składowych.   Przy   czym   rozpatruje   się   tylko   złożenia  ekstensjonalne,   czyli   takie   których 
prawdziwość   zależy   wyłącznie   od   wartości   logicznych   zdań   składowych   i   łączących   ich 

spójników zdaniowych. 

Zmienna   zdaniowa  (najczęściej   oznaczana   p,   q,   r   …)   jest   literą   reprezentującą   dowolne 

zdanie lub inaczej zmienna zdaniowa wskazuje wolne miejsce, które może zostać wypełnione 
przez dowolne wyrażenie należące do kategorii zdań.

Wartościowaniem  nazywamy funkcję, która każdej zmiennej zdaniowej przyporządkowuje 
wartość logiczną 0 lub 1. Funkcję taką można uogólnić na zbiór wszystkich formuł rachunku 

zdań.

Tautologią  nazywamy   formułę,   która   przy   dowolnym   wartościowaniu   przybiera   wartość 

logiczną 1. 

Wartość   logiczna   wyrażenia   zdaniowego   może   być   wyznaczona   za   pomocą   wartości 

logicznych klasycznych funktorów zdaniowych.

Funktorem zdaniowym n-argumentowym (spójnikiem zdaniowym) nazywamy funkcję, która 

każdemu   układowi   (p

1

,p

2

,…,p

n

),   gdzie   p

i

  jest   prawdą   bądź   fałszem,   przyporządkowuje 

wartość logiczną 0 lub 1. 

Istnieje 

n

2

2

n-argumentowych funktorów zdaniowych.

Dla n=1 istnieją cztery funktory, nazywamy je funktorami jednoargumentowymi:

 

A

0

A

1

A

2

A

3

0

0

0

1

1

1

0

1

0

1

background image

Dla n=2 jest szesnaście funktorów, które nazywamy funktorami dwuargumentowymi:

  B

0

B

1

B

2

B

3

B

4

B

5

B

6

B

7

B

8

B

9

B

10

B

11

B

12

B

13

B

14

B

15

00 0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

01 0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

10 0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

11 0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

Tylko niektóre funktory są używane w systemach logicznych jako odpowiadające spójnikom 

zdaniowym występującym w dalszych wnioskowaniach. 

I tak funktor jednoargumentowy 

A

2

 nazywa się negacją (nie) i oznaczamy go „

” lub „

¬

”, 

oraz funktory dwuargumentowe:

B

1

 nazywa się 

koniunkcją

 (i, funkcją AND) i oznacza „

”,

B

7

 nazywa się 

alternatywą 

(lub, funkcją OR) i oznacza „

”,

B

9

 nazywa się r

ównoważnością

 (wtedy i tylko wtedy) i oznacza „

”,

B

13

 nazywa się implikacją (jeżeli … to …) i oznacza „

”,

B

8

 nazywa się strzałką Peirce’a (funktorem jednoczesnego zaprzeczenia) i oznacza „

”,

B

14

 nazywa się dysjunkcją (funkcją NAND, funktorem Sheffera, kreską Sheffera) i oznacza 

”.

Funktory te porządkuje się następująco: 

¬

.

background image

Podstawowe prawa logiki zdań

1. Prawa łączności 

(p

q)

r = p

(q

r)

(p

q)

r = p

(q

r)

2. Prawa przemienności

p

q = q

p

p

q = q

p

3. Prawa rozdzielności

(p

q)

r = (p

r)

(q

r)

(p

q)

r = (p

r)

(q

r)

4. Prawa absorpcji (pochłaniania)

p

(p

q) = p

p

(p

q) = p

5. Prawo idempotentności

p

p = p

p

p = p

6. Prawo wyłączonego środka (tertium non datur)

p

∧¬

p = F

p

∨¬

p = P

7. Prawa de Morgana 

¬

(p

q) = 

¬

p

∨¬

q

¬

(p

q) = 

¬

p

∧¬

q

8. Wzory dla P i F

p

P = p

p

F = p

p

F = F

p

P = P

¬

P = F

¬

F = P

9. Podwójne przeczenie (inwolutywność)

¬

(

¬

p) = p

10. Wyrażanie funktorów przez pozostałe

p

q = 

¬

p

q

p

q = (p

q)

(

¬

p

∧¬

q)

background image

Metody dowodzenia twierdzeń

1. Dowód bezpośredni „wprost” 

Przez   implikację   -   metoda   ta   polega   na   założeniu,   że   zdanie

 

p jest prawdą i pokazaniu, że wówczas również zdanie q jest prawdziwe: 

 q.

Przez równoważność - metoda ta polega na założeniu, że zdanie p jest prawdą i pokazaniu, że 

wówczas   również   zdanie   q   jest   prawdziwe   oraz   na   założeniu,   że   zdanie   q   jest   prawdą 
i pokazaniu, że wówczas również zdanie p jest prawdą: 

 q.

2. Dowód „nie wprost” 

Metoda   dowodu   „nie   wprost”   opiera   się   na   tautologii   rachunku   zdań,   zwanej   prawem 
kontrapozycji: 

( p 

 q ) 

 ( 

¬

 q 

 

¬

 p ).

Stosując tę metodę zakładamy, że q jest fałszem i pokazujemy, że p jest również fałszem.

KWADRAT LOGICZNY

Dla każdej implikacji prostej p 

 q 

implikację  q 

 

 

p nazywamy implikacją odwrotną,

implikację 

¬

 q 

 

¬

 p nazywamy implikacją przeciwstawną

implikację 

¬

 p 

 

¬

 q nazywamy implikacją przeciwną.

Na   podstawie   prawa   kontrapozycji   widać,   że   implikacje   prosta   i   przeciwstawna   są 
równoważne   oraz   implikacje   odwrotna   i   przeciwna   są 

równoważne. 

Zależności te przedstawia kwadrat logiczny:

Przy   tej   samej   przekątnej   są   umieszczone   implikacje 
równoważne,   natomiast   do   udowodnienia   wszystkich   spośród 

tych   implikacji,   wystarczy   udowodnić   dowolną   parę   tych 
implikacji umieszczonych na jednym boku kwadratu. 

q

⇒∼

p

p

⇒∼

q

p

q

q

p

background image

3. Dowód „przez zaprzeczenie” (ad absurdum)

Metoda   dowodu   przez   zaprzeczenie,   zwanego   też   dowodem   przez   sprowadzeniem   do 

sprzeczności, opiera się na równoważności:

( p 

 q ) 

 

¬

 (p 

 

¬

 q ).

Stosując to podejście zakładamy, że p jest prawdą a q fałszem i pokazujemy, że prowadzi to 
do sprzeczności, to znaczy, że p i nie prawda, że q jest fałszem.

4. Zasada indukcji matematycznej

Niech p(n) będzie zdaniem, które dla każdego naturalnego n może być zdaniem prawdziwym 
lub   fałszywym.   Aby   udowodnić,   że   zdanie  p(n)   jest   prawdziwe   dla   wszystkich   liczb 

naturalnych n, gdzie n

n

0

, wystarczy pokazać, że

(i)

zdanie p(n

0

) jest prawdziwe,

(ii)

dla każdego  k

n

0

,  p(k)  

  p(k+1), tzn. zdanie  p(k+1) jest prawdziwe jeżeli 

tylko zdanie p(k) jest prawdziwe.

5. Dowód konstruktywny 

Dowód pewnego twierdzenia o istnieniu obiektu określa się jako konstruktywny, jeżeli podaje 
on gotowy algorytm do wyznaczenia poszukiwanego obiektu, o którego istnieniu mówi dane 

twierdzenie. 

Przykładem   takiego   dowodu   jest   podanie   algorytmu   na   istnienie   naturalnej   sześciennej 

funkcji sklejanej, gdzie podaje się wzory pozwalające obliczyć współczynniki takiej funkcji z 
układu równań liniowych, co jest elementarnym zadaniem algebraicznym. 

background image

AUTOMATYCZNE DOWODZENIE TWIERDZEŃ

Jest   to   dziedzina   wiedzy,   której   celem   jest   konstruowanie   programów   komputerowych 

umożliwiających dowodzenie twierdzeń w teoriach, w których zostały sformułowane.

Ponieważ klasyczny rachunek zdań jest rozstrzygalny,  więc teoretycznie  istnieje algorytm 

pozwalający dla dowolnej formuły rachunku zdań w skończonej liczbie kroków rozstrzygnąć, 
czy jest ona twierdzeniem tego rachunku.

Wyniki rozważań dotyczących złożoności obliczeniowej wydają się przekreślać możliwość 
uzyskania algorytmu, który rozpoznawałby zbiór twierdzeń rachunku zdań zużywając do tego 

liczbę kroków wyrażoną zależnością wielomianową od długości formuły.

Nie   przekreśla   to   jednak   możliwości   konstruowania   skutecznych   w   zastosowaniach 

algorytmów,   które   dotyczą   tylko   formuł   o   skończonej   długości.   Przykładem   jest   dowód 
„problemu czterech barw”.

background image

Rachunek predykatów

Logika predykatów wraz z logiką zdań stanowi całość logiki formalnej. 

Logika predykatów dostarcza praw wnioskowania odwołujących się do wewnętrznej budowy 
zdań, w której wyróżnia się  predykaty  (odpowiednik orzeczenia w gramatyce),  argumenty 

predykatów (odpowiednik podmiotu w gramatyce) oraz wyrażenia zwane kwantyfikatorami 
(wskazujące   czy   predykat   odnosi   się   do   wszystkich   czy   do   niektórych   argumentów).  

W związku z tym logika predykatów często nazywana jest logiką kwantyfikatorów.

UWAGA

Zamiast słowa „logika” mówi się też „teoria” lub „rachunek”.

WYRAŻENIA LOGIKI PREDYKATÓW

Formuła   atomowa  (forma   elementarna)   jest   to   najprostsze   zdanie   w   języku   predykatów, 

składa   się   jedynie   z   predykatu   wraz   z odpowiednią   liczbą   argumentów.   Dla   zmiennych  
x

1

, x

2

, ..., x

n

 wyrażenie P(x

1

, x

2

, ..., x

n

) jest n-argumentową formułą atomową.

Przykładowo formułami atomowymi są wyrażenia:

jednoargumentowe – „x jest liczbą pierwszą”, 

dwuargumentowe - „x dzieli y”.

Formuła atomowa przekształca się w wyrażenie o większym stopniu złożoności, gdy zostanie 

poprzedzona kwantyfikatorem 

ogólnym 

 „dla każdego” lub 

egzystencjalnym 

 „dla pewnego”.

Zmienną x określamy jako związaną w pewnym wyrażeniu, jeśli jest zmienną kwantyfikatora 

x lub 

x, w przeciwnym wypadku jest to zmienna wolna

Wyrażenie   logiki   predykatów   nazywamy  formą   zamkniętą,   jeżeli   nie   zawiera   żadnych 

zmiennych wolnych.

background image

Tautologie logiki predykatów

1.   

∼∀

x P(x) = 

 P(x)       

∼∃

x P(x) = 

 P(x)

2.   

x P(x) = 

∼∃

 P(x)       

x P(x) = 

∼∀

 P(x)

3.   

y P(x,y) = 

x P(x,y)

4.   

y P(x,y) = 

x P(x,y)

5.   

x P(x) 

 

x Q(x) = 

x [P(x) 

 Q(x)]

6.   

x P(x) 

 

x Q(x) = 

x [P(x) 

 Q(x)]

7.   

x P(x) 

 

x Q(x) 

 

x [P(x) 

 Q(x)]

8.   

x [P(x) 

 Q(x)] 

 

x P(x) 

 

x Q(x)

9.   

x [P(x) 

 Q(x)] 

 [

x P(x) 

 

x Q(x)]

10. 

x [P(x) 

 Q(x)] 

 [

x P(x) 

 

x Q(x)]

11. 

y P(x,y) 

 

x P(x,y)

Logika predykatów pierwszego rzędu stanowi system formalny, w którym zmienne zdaniowe 

mogą być związane kwantyfikatorami, natomiast w logikach predykatów wyższych rzędów 
kwantyfikatorami mogą być związane również zmienne predykatywne.

Każda   teoria   sformułowana   w   ramach   logiki   pierwszego   rzędu   nazywana   jest  teorią 
elementarną
.