Język rachunku predykatów Formuły rachunku predykatów Formuły spełnialne i prawdziwe Dowody założeniowe. 1 Zmienne x, y, z...

Transkrypt

1 Język rachunku predykatów 1 Zmienne x, y, z... 2 Predykaty n-argumentowe P(x, y,...), Q(x, y...),... 3 Funktory zdaniowe,,,, 4 Kwantyfikatory: istnieje, dla każdego

2 Język rachunku predykatów Ustalenie dziedziny (uniwersum) U dla zmiennych x, y, z... oraz określenie predykatów P, Q, R,... w U nazywamy interpretacja.

3 Przykłady Język rachunku predykatów 1 U = {0, 1, 2,... } jest zbiorem liczb naturalnych. P(x) - x jest liczba parzysta. Q(x, y) - x jest większe od y. R(x, y, z) - z jest suma x i y. 2 U - zbiór wszystkich ludzi. P(x) - x jest kobieta. Q(x, y) - x jest rodzicem y. R(x, y, z) - x, y, z sa rodzeństwem. 3 U - zbiór wszystkich trójkatów. P(x) - x jest prostokatny. Q(x, y) - x jest podobny do y.

4 Język rachunku predykatów Jeżeli w predykacie P(x, y,...) przypiszemy zmiennym x, y,... określone wartości z uniwersum U to otrzymamy zdanie logiczne. Przykład: U = {0, 1, 2,... }, P(x, y) - x jest większe od y. P(3, 4) jest zdaniem fałszywym P(5, 2) jest zdaniem prawdziwym. Predykaty 0-argumentowe P, Q,... możemy traktować jako zwykłe zdania logiczne. Język rachunku predykatów obejmuje więc język klasycznego rachunku zdań.

5 Predykat jest formuła rachunku predykatów. Jeżeli φ i ψ sa formułami rachunku predykatów, to (φ), (φ) (ψ), (φ) (ψ), (φ) (ψ), (φ) (ψ) sa formułami rachunku predykatów. Jeżeli φ jest formuła rachunku predykatów a v jest zmienna w φ, to v (φ) i v (φ) sa formułami rachunku predykatów. Przykłady: P, P(x), Q(x), P(x, y), Q(x, y, z),... P Q(x), P(x) Q(x), Q(x) P(x, y), P(x) Q(x),... x (P(x)), y (P(x, y)), x (P(x) Q(x)),... y ( x (P(x) Q(y)))

6 Zasięg kwantyfikatora Zasięgiem kwantyfikatora nazywamy wyrażenie zawarte w nawiasie otwartym bezpośrednio po tym kwantyfikatorze. Przykład: x (P(x, y) Q(x)) R(x) Zmienna jest zwiazana jeżeli jest w zasięgu pewnego kwantyfikatora, w którym występuje ta zmienna. Przykład: x (P(x, y) Q(x)) R(x)

7 Opuszczanie nawiasów Nawiasy można opuścić po kwantyfikatorze jeżeli nie prowadzi to do niejednoznaczności w określeniu jego zasięgu. Poprawne: x (P(x)) x P(x) x ( y (P(x, y) Q(x))) x y (P(x, y) Q(x)) Niepoprawne(!): x (P(x) Q(x)) x P(x) Q(x)

8 Formuły zamknięte Formuła jest zamknięta jeżeli wszystkie zmienne sa w niej zwiazane. Przykłady formuł zamkniętych: x P(x) y x P(x, y) ( x P(x)) ( x Q(x)) x (Q(x) y P(x, y))

9 Formuły zamknięte Formuła zamknięta dla określonej interpretacji staje się zdaniem logicznym. Zatem posiada określona wartość logiczna prawda lub fałsz. Za pomoca formuł zamkniętych można wyrażać złożone własności badanego uniwersum.

10 Formuły zamknięte Ustalamy uniwersum U = {0, 1, 2,... } i predykaty: P(x) - liczba x jest parzysta. Q(x) - liczba x jest pierwsza. R(x, y) (x y) liczba x jest niewiększa od liczby y. Zdania w tym uniwersum: Istnieje liczba parzysta: x P(x) Istnieje najmniejsza liczba naturalna: x y (x y) Żadna liczba parzysta większa od 2 nie jest pierwsza: lub równoważnie: ( x (Q(x) (3 x) P(x)) x ((P(x) (3 x)) Q(x))

11 Formuły zamknięte Ustalamy uniwersum U - wszyscy filozofowie. P(x) - filozof x jest madry. Q(x, y) - filozof x jest uczniem filozofa y. Zdania w tym uniwersum: Filozof jest madry jeżeli jest uczniem madrego filozofa. x ( y (Q(x, y) P(y)) P(x)) Jeżeli filozof jest madry, to każdy jego uczeń jest madry. y (P(y) x (Q(x, y) P(x)))

12 Formuła jest spełnialna jeżeli jest zdaniem prawdziwym w pewnej interpretacji. Formuła jest prawdziwa (jest tautologia rachunku predykatów) jeżeli jest zdaniem prawdziwym w każdej interpretacji.

13 Formuła x y P(x, y) jest spełnialna ale nie jest tautologia rachunku predykatów ponieważ: Jest zdaniem prawdziwym dla interpretacji U = {0, 1, 2,...} P(x, y) - x y Jest zdaniem fałszywym dla interpretacji U = {..., 2, 1, 0, 1, 2,...} P(x, y) - x y. Formuła x (P(x) P(x)) jest tautologia rachunku predykatów ponieważ jest prawdziwa w każdej interpretacji.

14 Wybrane prawa rachunku predykatów T1. x (P(x) P(x)) T2. x P(x) x ( P(x)) T3. x P(x) x ( P(x)) T4. x (P(x) Q(x)) ( x P(x) x Q(x)) T5. x (P(x) Q(x)) ( x P(x) x Q(x)) T6. ( x P(x) x Q(x)) ( x (P(x) Q(x)) T7. x (P(x) Q(x)) ( x P(x) x Q(x)) T8. x (P(x) Q(x)) ( x P(x) x Q(x)) T9. x (P(x) Q(x)) ( x P(x) x Q(x)) T10. x y P(x, y) y x P(x, y) Pokazać, że implikacje odwrotne w T6, T7, T8, T10 nie sa tatutologiami (ćwiczenia)

15 Tautologie rachunku predykatów Pokazano, że nie istnieje ogólna metoda (algorytm) rozstrzygajacy czy zadana formuła rachunku predykatów jest tautologia. W ogólnym przypadku problem ten jest więc bardzo trudny. Tautologię można czasami udowodnić korzystajac z praw logiki oraz ze znanych tautologii. W przypadku, gdy wszystkie predykaty maja nie więcej niż jedna zmienna można skorzystać z tabelki.

16 Tautologie rachunku predykatów Udowodnić tautologię T9: x (P(x) Q(x)) ( x P(x) x Q(x)) x (P(x) Q(x)) Prawo logiki x ( P(x) Q(x)) T5. x ( P(x)) x Q(x) T2. x P(x) x Q(x) Prawo logiki x P(x) x Q(x)

17 Tabelka dla predykatów jednoargumentowych P(x) = 1 zawsze 1 0 zawsze 0 T czasem 1 czasem 0 P(x) P(x) xp(x) xp(x) T T 1 0 P(x) Q(x) P(x) Q(x) P(x) Q(x) P(x) Q(x) P(x) Q(x) T 1 T T T T T 0 1 T T 1 1 T 1 T T 0 T 0 T T T T 1,T 0,T 1,T 0,1,T

18 Udowodnić tautologię T6. ( x P(x) x Q(x)) ( x (P(x) Q(x)) α β γ P(x) Q(x) xp(x) xq(x) xp(x) xq(x) P(x) Q(x) xβ α γ T T T 0 1 T T T 0 1 T T ,T 1,0 1

19 Tautologie rachunku predykatów Tautologie pozwalaja na przekształcanie formuł. x ( y (P(x) Q(x, y))) x ( y (P(x) Q(x, y)) x y (P(x) Q(x, y)) x y ( P(x) Q(x, y)) x y (P(x) Q(x, y)) T2 T3 prawo logiki prawo logiki

20 Reguły wnioskowania W dowodach, w których korzystamy z kwantyfikatorów można stosować wszystkie reguły z rachunku zdań. Dodatkowo stosujemy następujace reguły wnioskowania: O : D : x P(x) P(a) P(b) x P(x) O : P(x) P(b), P(x ) a jest nowa stała niewystępujac a w dowodzie, b jest dowolna istniejac a już stała, x jest nowa zmienna wolna. Reguły te pozwalaja udowodnić tylko niektóre wnioskowania. Można wprowadzić regułę D ale jest ona dosyć skomplikowana.

21 Dowód założeniowy wprost x (P(x) Q(x)) ( x P(x) x Q(x)) 1: x (P(x) Q(x)) Założenie 2: x P(x) Założenie 3: P(a) O 2 4: P(a) Q(a) O 1 5: Q(a) RO 3,4 6: x Q(x) D 4

22 Dowód założeniowy nie wprost x P(x) x P(x) 1: x P(x) Założenie 2: x P(x) z.d.n. 3: P(a) O 2 4: P(a) O 1 Sprzeczność 3,4

23 - błędne wnioskowanie x y P(x, y) x R(x, x) 1: x y P(x, y) Zał. 2: y R(x, y) O 1 3: R(x, a) O 2 4: R(a, a) Bład! 5: x R(x, x) D 4 1: x y P(x, y) Zał. 2: x R(x, a) Bład! 3: R(a, a) O 2 5: x R(x, x) D 4 Formuła nie jest tautologia. Nie jest prawdziwa na przykład w interpetacji U = R i P(x, y) - x jest większe od y.

24 Dowody założenowe Każdy uczony jest racjonalista. Niektórzy filozofowie nie sa racjonalistami. Zatem niektórzy filozofowie nie sa uczonymi U - wszyscy ludzie. P(x) - x jest uczonym. Q(x) - x jest filozofem. R(x) - x jest racjonalista. ( x (P(x) R(x)) x (Q(x) R(x))) x (Q(x) P(x))

25 Dodowy założeniowe 1: x (P(x) R(x)) Zał. 2: x (Q(x) R(x)) Zał. 3: Q(a) R(a) O 2 4: P(a) R(a) O 1 5: Q(a) OK 3 6: R(a) OK 3 7: R(a) P(a) KP 4 8: P(a) RO 6,7 9: Q(a) P(a) DK 5,8 10: x (Q(x) P(x)) D 9

26 Każdy krytyk literacki ceni pewnego pisarza, a niektórzy pisarze nie cenia żadnego krytyka literackiego. Piotr jest krytykiem literackim. Zatem Piotr ceni kogoś i ktoś nie ceni Piotra. U - wszyscy ludzie. P(x) - x jest krytykiem literackim. Q(x) - x jest pisarzem. R(x, y) - x ceni y. ( x (P(x) y (Q(y) R(x, y))) x (Q(x) y (P(y) R(x, y)) P(Piotr)) ( x P(Piotr, x) x P(x, Piotr))

27 1: x(p(x) y(q(y) R(x, y))) Zał. 2: x(q(x) y(p(y) R(x, y)) Zał. 3: P(Piotr) Zał. 4: P(Piotr) y(q(y) R(Piotr, y)) O 1 5: y(q(y) R(Piotr, y)) RO 3,4 6: Q(a) y(p(y) R(a, y)) O 2 7: Q(b) R(Piotr, b) O 5 8: y(p(y) R(a, y)) OK 6 9: P(Piotr) R(a, Piotr) O 8 10: R(Piotr, b) OK 7 11: R(a, Piotr) RO 3,9 12: xp(piotr, x) D x R(x, Piotr) D 11 14: xp(piotr, x) x P(x, Piotr) DK 12, 13

28 Dowody założenowe Jest ktoś kogo wszyscy kochaja. Zatem każdy kogoś kocha. U - wszyscy ludzie. P(x, y) - x kocha y. y x P(x, y) x y P(x, y)

29 1: y x P(x, y) Zał. 2: x y P(x, y) Z.d.n. 3: x y P(x, y) DM 2 4: x P(x, a) O 1 5: y P(b, y) O 3 6: P(b, a) O 4 7: P(b, a) O 5 Sprzeczność 6,7

30 Wszyscy logicy sa zabawni. Ktoś jest logikiem. Zatem każdy jest zabawny. U - wszyscy ludzie. P(x) - x jest logikiem. Q(x) - y - jest zabawny. ( x (P(x) Q(x)) x P(x)) x Q(x)

31 1: x(p(x) Q(x)) Zał. 2: xp(x) Zał. 3: xq(x) Z.d.n. 4: P(a) O 2 5: x Q(x) DM 3 6: Q(b) O 5 7: P(a) Q(a) O 1 8: P(b) Q(b) O 1 9: Q(a) RO 4,7 10: Q(b) P(b) KP 8 11: P(b) RO 6,10 Rozumowanie nie jest poprawne. Kontrprzykład: uniwersum U = {a, b}, a jest zabawny i jest filozofem, b nie jest zabawny i nie jest filozofem. Założenia sa spełnione a teza nie jest prawdziwa.