Dr Andrzej Kmiecik

Zakład Logiki i Epistemologii

Instytut Filozofii i Socjologii UKW

w Bydgoszczy

ul. Ogińskiego 16

Jak miło jest coś wiedzieć

(Molier, Mieszczanin szlachcicem)

Wykład 13

Rachunek zbiorów i relacji (1)

Podstawowe pojęcia

Algebra Boole'a

Algebra zbiorów

Relacje

Cechy algebry Boole'a

1) Dla każdego zbioru istnieje jego dopełnienie (w teorii mnogość ZF tego już nie ma, ale w teorii mnogości Bernaysa jest ta własność).

2) Przyjmuje się istnienie zbioru uniwersalnego (w teorii mnogości ZF prowadzi to do sprzeczności, przyjmuje się w teorii mnogości Bernaysa klasa i zbiór).

3) Nie ma mowy o rodzinach zbiorów.

4) George Boole nie posługiwał się pojęciem należenia elementu do zbioru.

Algebra Boole'a zawierała twierdzenia matematyki i dlatego nie mogła służyć jako podstawa matematyki. Przekształcił ją odpowiednio G. Frege.

Symbole zawierania " ⊂ " i należenia do " ∈ " pojawiły się dopiero u Peano.

Znał je intuicyjnie I, Kant. G. Cantor posiadał już to pojęcie.

Zbiory

W języku potocznym słowo "zbiór" jest wieloznaczne. Wyróżnia się następujące rodzaje zbiorów: dystrybutywne, kolektywne i rozmyte.

Zbiór

w sensie kolektywnym (zbiory kolektywne)

w sennie dystrybutywnym (zbiory dystrybutywne)

1

w sensie rozmytym (zbiory rozmyte)

Zbiór kolektywny jest całością złożoną z pewnych przedmiotów i traktowanych jako części tej całości. Zbiory takie nazywano zbiorowiskami, agragatmi.

Teorię tak rozumianych zbiorów i teorię stosunku części do całości zbudował

Stanisław Leśniewski, nazywając ją mereologią.

Ex.

Elementem zbioru kolektywnego stołów może być stół jak i część stołu.

Inne przykłady:

kupa kamieni jako zbiorowisko kamieni (dany kamień A jest częścią kupy kamieni)

las jako zbiorowisko drzew (dane drzewo A jest częścią lasu,) miasto jako zbiorowisko budynków,

podział administracyjny kraju na województwa.

dzień, kwadrans

noga krzesła jest częścią krzesła.

Do badań statystycznych wybiera się właśnie zbiory kolektywne.

Zbiór w sensie mereologicznym to zespół wielu elementów posiadających wspólną, połączonych abstrakcyjnie w jedność.

Są to zbiory dające się pojąć przestrzennie.

Charakteryzuje się go za pomocą relacji: x jest częścią zbioru A.

Relacja część – całość jest jedną z podstawowych struktur bytowych. Na gruncie fenomenologii tę relację badał formalnie Barry Smith.

Inne struktury bytowe

substancja - przypadłość

formalnie próbował ująć Peter Simons

akt - możność

materia - forma

istota - istnienie (Tomasz z Akwinu)

(zob. A. Stępień, Wstęp do filozofii)

Mereologia była tworzona jako teoria konkurencyjna wobec teorii mnogości G.

Cantora. Mereologia może mieć zastosowanie w biologii. Teorią części i całości posłużył się A. Wodger aksjomatyzując w latach 60-tych XX wieku genetykę.

W rezultacie przycyzniło się to do gwałtownego obecnie rozwoju badań genomicznych.

2

Leśniewski chciał, aby mereologia leżała u podstaw matematyki. Mereologię w matematyce stosował Alfred Tarski (geometria brył), a współcześnie w topologii stosował Andrzej Pietruszczak (UMK) i Cezary Gorzka (UMK).

Istota i istnienie nie podpadają pod badania logiczne w zakresie mereologii ani w pod logikę klasyczną. Istotą i istnienie nie są częściami bytu (np. tego oto stołu), ale są elementami subontyczny. Elementy te są realnie w bycie, ale nie są oddzielalne, są sprzężone ze sobą. Są poznawalne wyłącznie intelektualnie, tzn.

dochodzi się do nich w analizie struktur bytu.

Badania formalne nad problemem istoty prowadził Alvin Plantinga. Próby formalnego wyrażenia istnienia zebrał Edward Nieznański.

Zbiory dystrybutywne to zbiory, które stosowane w teorii mnogości. Są to zbiory wyznaczone przez pewną własność, np. bycie białym wyznaczy nam zbiór przedmiotów białych. Utożsamia się tu zbiór z własnością. Badania w tym zakresie prowadził brytyjski logik polskiego pochodzenia Peter Thomas Geach.

Zbiory dystrybutywne (G. Cantor) są scharakteryzowane przez relację: x jest elementem zbioru A. Np. liczba 2 jest elementem zbioru liczb naturalnych. Są one badane w teorii mnogości. Zbiór przedmiotów wyznacza cechę, cecha wyznacza zbiór przedmiotów.

Zbiór dystrybutywny można zdefiniować na dwa sposoby:

- przez określenie jego elementów (dwa zbiory, które mają te same elementy są identyczne),

- przez podanie warunku jaki powinny spełniać jego elementy; warunek jest przedstawiony w postaci funkcji zdaniowej.

x ∈ A ⇔ ϕ(x)

Elementy zbioru można określić przez bezpośrednie ich wyliczenie, np.

{a,b,c,d,} jest zbiorem o elementach a, b, c, d.

Zbiory rozmyte ( fuzzy sets) wiążą z pojęciami (nazwami) nieostrymi. Zbiory rozmyte są podobne do zbiorów dystrybutywnych. Różnica jest następująca: własność wyznaczająca zbiór może być nieostra.

Przykłady:

człowiek młody i zbiór ludzi młodych,

moje preferencje smakowe i zbiór moich ulubionych potraw.

Każda potrawa należy do takiej całości w stopniu, który odpowiada mojej subiektywnej ocenie. Jeśli skala ocen rozciąga się od zero do 1 poprzez wszystkie liczby rzeczywiste z przedziału [0,1], to potrawy nielubiane przez 3

mnie mają ocenę 0, a najbardziej lubiane – ocenę 1. Zatem zbiór rozmyty tworzą wszystkie potrawy brane przez mnie pod uwagę 1 .

Pojęcie zbioru rozmytego odpowiada temu co nazywa się pojęciem typologicznym. W filozofii analitycznej pojęcie znaczenia rodzinnego –

wprowadzone przez L. Wittgensteina – jest tym samym co pojęcie typologiczne.

Peirce, Schröer – teoria relacji pojawiła się jako teoria niezależna od logiki i matematyki.

Pojęcie pary uporządkowanej zostało zdefiniowane na gruncie teorii mnogości.

Wiener i A. Kuratowski niezależnie podali definicję pary uporządkowanej.

Dlatego całą teoria relacji może być zredukowana do teorii mnogości.

Zob. A Mostowski, Logika matematyczna.

Uwaga

Ujęcie Mostowskiego jest najbardziej zbliżone do ujęcia Borkowskiego.

Algebra Boole'a ma wiele interpretacji, np. w sieciach elektrycznych, w rachunku zdań, w algebrze zbiorów, w rachunku prawdopodobieństwa. Dlatego ma ona dużą wartość teoretyczną 2.

Aksjomaty algebry Boole'a spełnia klasyczny rachunek logiczny. Logiki wielowartościowe są związane z wielowartościowymi algebrami Boole'a. Ale logika intuicjonistyczna nie odpowiada algebrze Boole'a. W tym przypadku mówi się o algebrze pseudoboolowskiej albo o algebrze Heytinga. Również logiki kwantowe nie spełniają aksjomatów algebry Boole'a.

Mówiąc o algebrze Boole'a rozpatruje się:

- zbiór przedmiotów

- działania: +, ◦, dopełnienie '

- relacja równości

- dwa wyróżnione elementy: 0, 1 (zatem zbiór przedmiotów nie jest pusty)

- nic się nie zakłada o naturze działań

Aksjomaty (wg Mostowskiego)

Terminy pierwotne: K, +, ◦, ', 0, 1

K - zbiór przedmiotów

x, y ∈ K,

1

A. Łachwa, Rozmyty świat zbiorów, liczb, relacji, faktów, reguł i decyzji, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszwa 2001.

2

Czym jest interpretacja zob. Borkowski, Słupecki, Elementy logiki matematycznej i teorii mnogości, s.

157.

4

(0,1 ∈ K) → K ≠ ∅

jeśli 0 oraz 1 są elementami zbioru K, to zbiór K nie jest zbiorem pustym.

~(0=1)

działania nie wyprowadzają poza zbiór K

x+y ∈ K, x ◦ y ∈ K, x' ∈ K

Relacja równości w algebrze Boole'a nie jest taka sama jak identyczność w w.r.p.

Relacja identyczności jest zwrotna, symetryczna i przechodnia.

Aksjomaty

1.

x+x=x

x ◦ x=x

2.

x+y=y+x

x ◦ y = y ◦ x

3.

x +(y+z)=(x+y)+z

x ◦ (y ◦ z) = (x ◦ y) ◦ z

4.

x+(y ◦ z) = (x+y) ◦ (x+z)

x ◦ (y+z) = (x ◦ y) + (x ◦ z)

5.

x+1 = 1

x ◦ 0 = 0

6.

x+0 = x

x ◦ 1 = x

7.

x+x' = 1

x ◦ x' = 0

Dla zwiększenia przejrzystości pominięto kwantyfikatory Przykładem algebry Boole'a jest tzw. dwuelementowa algebra Boole'a

<{0,1}, +, ◦, '}

gdzie działania są zdefiniowane następująco

+

0 1

0

0 1

1

1 1

◦

0 1

0

0 0

1

0 1

'

0 1

x' 1 0

5

Innym przykładem algebry Boole'a jest algebra zbiorów. Wtedy przedmiotami są zbiory. Symbol K odnosi się do rodziny podzbiorów ustalonego zbioru, a działania to działania na zbiorach.

Podstawowe definicje i twierdzenia rachunku zbiorów Wyrażenie " x ∈ A " czytamy " x jest elementem zbioru A", "x należy do zbioru A", "x należy do klasy A".

Nie zawsze zamiennie używa się pojęcia klasy i zbioru.

Wyrażenie " x ∉ A " jest skrótem dla "~( x ∈ A)" i czytamy: x nie jest elementem zbioru A.

Def. 1 Iloczyn zbiorów

x ∈ A ∩ B ≡ (x ∈ A ∧ x ∈ B)

Iloczynem zbiorów A i B jestr zbiór złożony z tych przedmiotów, które należą jednocześnie do zbioru A i do zbioru B.

Def. 2 Suma zbiorów

x ∈ A ∪ B ≡ (x ∈ A ∨ x ∈ B)

Suma zbiorów A i B jest zbiorem wszystkich tych przedmiotów, które należą do zbioru lub do zbioru B, a więc są elementami przynajmniej jednego ze zbiorów.

Def. 3 Różnica zbiorów

x ∈ A - B ≡ (x ∈ A ∧ x ∉ B)

Różnica zbioru A i B jest to zbiór tych wszystkich przedmiotów, które należą do zbioru A i nie należą do zbioru B.

Def. 3 Dopełnienie zbiorów

x ∈ –A ≡ x ∉ A

Dopełnienie zbioru A jest to zbiór tych wszystkich przedmiotów, które nie nalę=eżą do zbioru A.

Def. 4 Zbiór pusty

x ∈ ∅ ≡ x ≠ x

Zbiór ∅ nazywa się zbiorem pustym

6

Dla żadnego przedmiotu nie jest prawdą, że nie jest identyczny z samym sobą.

Zatem zbiór pusty to taki zbiór, do którego nie należy żaden przedmiot.

Def. 5 Zbiór uniwersalny

x ∈ V ≡ (x = x)

Zbiór V nazywa się zbiorem uniwersalnym.

Dla każdego przedmiotu jest prawdą, iż jest identyczny z samym sobą.. Zatem zbiór uniwersalny to zbiór do którego należy każdy przedmiot.

W aksjomatycznej teorii mnogości nie można przyjmować pojęcia zbioru uniwersalnego.

Def. 6 Zawieranie się zbiorów

A ⊂ B ≡ Λx (x ∈ A → x ∈ B)

Zbiór A jest zawarty w zbiorze B wttw, gdy każdy element zbioru A jest elementem zbioru B.

Zawieranie się właściwe

A |⊆ B ≡ (A ⊂ B ∧ A ≠B)

Zbiór A jest podzbiorem właściwym zbioru B wttw, gdy każdy element zbioru A jest elementem zbioru B, ale nie każdy element zbioru B jest elementem zbioru A.

Uwaga

Definicje tym się różnią od aksjomatów, że spełniają warunek przekładalności.

Aby udowodnić, że zbiór A zawiera się w zbiorze B wystarczy udowodnoć implikację: x ∈ A → x ∈ B. Polega to na zastosowaniu reguły DΛ i skorzystaniu z definicji zawierania się.

Dowód takiej implikacji można przeprowadzić zakładają poprzednik i wyprowadzając następnik.

Aksjomat ekstensjonalności dla zbiorów

Λx (x ∈ A ≡ x ∈ B) → A = B

stwierdza, że zbiory złożone z tych samych elementów są identyczne.

7

Twierdzenie 1 (odwrotne do aksjomatu) A = B → Λx (x ∈ A ≡ x ∈ B)

Dowód

1.

A = B

z.

2.

x ∈ A ≡ x ∈ A

p ≡ p

3.

x ∈ A ≡ x ∈ B

ExI: 1,2

Λx (x ∈ A ≡ x ∈ B)

DΛ: 3

Twierdzenie 2

A = B ≡ Λx (x ∈ A ≡ x ∈ B)

Dowód

1.

Λx (x ∈ A ≡ x ∈ B) → A = B aksjomat

2.

A = B → Λx (x ∈ A ≡ x ∈ B) twierdzenie 1

A = B ≡ Λx (x ∈ A ≡ x ∈ B)

DE: 1,2

Twierdzenie 3

A = B ≡ A ⊂ B ∧ B ⊂ A

Dowód (uproszczony)

1.

A = B ≡ Λx (x ∈ A ≡ x ∈ B)

twierdzenie 2

2.

Λx [(x ∈ A → x ∈ B) ∧ (x ∈ B → x ∈ A)]

3.

Λx (x ∈ A → x ∈ B) ∧ Λx (x ∈ B → x ∈ A)

A ⊂ B ∧ B ⊂ A

def. zawierania się, 3

Twierdzenie 4

A ⊂ B ≡ A ∩ B = A

Dowód (uproszczony)

1.

p → q ≡ (p ∧ q ≡ p)

prawo

2.

A ⊂ B

z.

3.

A ⊂ B ≡ Λx (x ∈ A → x ∈ B) def. zawierania się

4.

Λx (x ∈ A → x ∈ B)

RO: 3,1

5.

Λx (x ∈ A → x ∈ B) ≡ Λx [(x ∈ A ∧ x ∈ B) ≡ x ∈ A] 4,1, p|x∈A, q|x∈B

6.

Λx [(x ∈ A ∩ B) ≡ x ∈ A]

5, def. iloczynu zbiorów

A ∩ B = A

6, twierdzenie 2

Jest to ciąg równoważności

Twierdzenie 5

A ⊂ B ≡ A ∪ B = B

Dowód (analogicznie j.w.

1.

p → q ≡ (p ∨ q ≡ q)

prawo

itd.

8

Twierdzenie 6

A – B ≡ A ∩ -B

Dowód.

1.

x ∈ A ∩ B ≡ (x ∈ A ∧ x ∈ B) def. iloczynu

2.

x ∈ A - B ≡ (x ∈ A ∧ x ∉ B) def. różnicy

3.

x ∈ –A ≡ x ∉ A

def. dopełnienia

4.

x ∈A – B

z.

5.

x ∈ A ∧ x ∉ B

4, 2

6

x ∈ A ∧ x ∈ –A

5, 3 (zastępowanie definicyjne)

x ∈ A ∩ -B

6, 1

Twierdzenie 7 (Prawa de Morgana)

a) -(A ∩ B) ≡ -A ∪ -B

b) -(A ∪ B) ≡ -A ∩ -B

Dowód a)

1.

~(p ∧ q) ≡ (~p ∨ ~q)

prawo

2.

x ∈ -(A ∩ B)

z.

3.

~(x ∈ A ∩ B)

2, def. dopełnienia

4.

~(x ∈ A ∧ x ∈ B)

3, def. iloczynu

5.

x ∉ A ∨ x ∉ B

4, 1 (podstawienie prawa logiki)

6.

x ∈ -A ∨ x ∈ -B

5, def. dopełnienia

x ∈ -A ∪ -B

6, def. sumy

Dowód b)

1.

~(p ∨ q) ≡ (~p ∧ ~q)

prawo

analogicznie

Prawa algebry zbiorów są zbudowane ze zmiennych reprezentujących nazwy zbiorów, stałych: ∩, ∪, -, V, ∅, ⊂, = oraz funktorów rachunku zdań.

Nie występuje w nich funktor ∈.

Prawo zwrotności zawierania się zbiorów

A ⊂ A

Prawo przechodniości zawierania się zbiorów

(A ⊂ B ∧ B ⊂ C) → A ⊂ C

Prawo przemienności iloczynu i sumy zbiorów

A ∩ B ≡ B ∩ A

A ∪ B ≡ B ∪ A

Prawo łączności iloczynu i sumy zbiorów

A ∩ (B ∩ C) = (A ∩ B) ∩ C

9

A ∪ (B ∪ C) = (A ∪ B) ∪ C

Prawo rozdzielności iloczynu względem sumy zbiorów (A ∪ B) ∩ C = (A ∩ C) ∪ (B ∩ C)

Prawo rozdzielności sumy względem iloczynu zbiorów (A ∩ B) ∪ C = (A ∪ C) ∩ (B ∪ C)

System algebry zbiorów jest jedną z interpretacji algebry Boole'a.

10