<离散数学>DM1 逻辑关系

本文最后更新于:2023年3月30日 下午

DM1 逻辑关系

DM1.1 联结词

具有唯一真值的陈述句称为 命题(语句)。真值为真的称为 真命题,真值为假的称为 假命题

有的陈述句的真假是变化的,这些陈述句不是命题。有的命题的真假无法判断,但只要真值唯一就是命题。

命题为真时,其真值用 T 或 1 表示。假命题用 F 或 0 表示。

数理逻辑中常用的联结词有以下几种。下面的 ppqqrr 表示原子命题(简单命题、变元、常元)

  • ¬p¬p:否定联结词(非运算)

    p ¬p
    1 0
    0 1
  • pqp∧ q:合取联结词(与运算)

    p q p∧q
    0 0 0
    0 1 0
    1 0 0
    1 1 1
  • pqp∨ q:析取联结词(或运算)

    p q p∨q
    0 0 0
    0 1 1
    1 0 1
    1 1 1
  • pqp→q:蕴含联结词(ppqq 的充分条件,qqpp 的必要条件)

    p q p→q
    0 0 1
    0 1 1
    1 0 0
    1 1 1

    如果认为所有猫都爱睡觉,也就是说:如果有一只猫(pp),那么这只猫喜欢睡觉(pqp→ q)。

    这样的话:

    如果不是一只猫(p=0p=0),那么它可以不爱睡觉(q=0q=0),也可以爱睡觉(q=1q=1

    如果是一只猫(p=1p=1),那么它不可以不爱睡觉(q=0q=0),只可以爱睡觉(q=1q=1

  • pqp↔q:等价联结词(等于,充分必要条件)

    p q p↔q
    0 0 1
    0 1 0
    1 0 0
    1 1 1

另外,还有几个复合命题:

  • pqp↑ q:与非联结词。即 ¬(pq)¬(p∧ q)
  • pqp↓ q:或非联结词。即 ¬(pq)¬(p∨ q)

DM1.2 命题公式

单个命题变元(或常元)是命题公式。

ppqq 是命题公式,那么 ¬p¬ppqp∧ qpqp∨ qpqp→qpqp↔q 都是命题公式。命题公式的长度是有限的。

联结词的优先级是: ¬¬

将值永远为 00 的命题公式称为矛盾式(永假式),如 p¬pp ∧ ¬p

将值可能为 11 的命题公式称为可满足式。

将值永远为 11 的命题公式称为重言式(永真式),如 p(pq)pp∧(p∨ q)↔p。永真式是可满足式的一种

  • 小项(布尔合取、极小项):n 个命题变元的简单合取式。

    每个命题变元与其否定不能同时存在,并要出现且仅出现一次。

    n 个命题变元能产生 2n2^n 个小项。可以字母 m 及下标二进制数表示命题变元。

    如:对于命题 P1,P2,P3P_1,P_2,P_3,其小项 m101=P1¬P2P3m_{101}=P_1∧\neg P_2∧ P_3

    可见,每个小项有一个编码,且仅在唯一情况下为真。而且,不同小项的成真赋值(指派)不同。

  • 大项(布尔析取、极大项):n 个命题变元的简单析取式。

    每个命题变元与其否定不能同时存在,并要出现且仅出现一次。

    大项性质与小项类似,以字母 MM 及其二进制下标表示。每个大项有一个编码,且仅在唯一情况下为假。

  • 主析取范式:仅由小项析取组成的,原命题公式的等价公式,称为主析取范式。

    在主式真值表中,所有真值为真的小项的析取,即构成主析取范式。

    任何命题公式都存在唯一的主析取范式。

  • 主合取范式:仅由大项合取组成的,原命题公式的等价公式,称为主合取范式。

    在主式真值表中,所有真值为假的大项的合取,即构成主合取范式。

    任何命题公式都存在唯一的主合取范式。

  • 完备集:对于联结词集合 SS,若任何真值函数都能用 SS 中联结词表示,则称 SS 是一个完备集。

    可以证明,{,¬}\{∧,¬\}{,¬}\{∨,¬\} 都是完备集。此外,{}\{↑\}{}\{↓\} 也是完备集。

DM1.3 等值式

等值式:如果 pqp↔q 是永真式,则 pqp⇔q,表示 ppqq 的取值完全相同,可以互相代替

p q p→q ¬p∨q (p→q)↔(¬p∨q)
0 0 1 1 1
0 1 1 1 1
1 0 0 0 1
1 1 1 1 1

pq¬pq∴p→q⇔¬p∨q

基本的等值式

  • 幂等率:ppppppp⇔p∨ p{\qquad}p⇔p∧ p

  • 交换律:pqpqpqqpp∨ q⇔p∨ q{\qquad}p∧ q⇔q∧ p

  • 结合律:(pq)rp(qr)(pq)rp(qr)(p∨ q)∨ r⇔p∨(q∨ r){\qquad}(p∧ q)∧ r⇔p∧(q∧ r)

  • 分配律:p(qr)(pq)(pr)p(qr)(pq)(pr)p∨(q∧ r)⇔(p∨ q)∧(p∨ r){\qquad}p∧(q∨ r)⇔(p∧ q)∨(p∧ r)

  • 德·摩根律:¬(pq)¬p¬q¬(pq)¬p¬q¬(p∨ q)⇔¬p∧ ¬q{\qquad}¬(p∧ q)⇔¬p∨ ¬q

  • 吸收律:p(pq)pp(pq)pp∨(p∧ q)⇔p{\qquad}p∧(p∨ q)⇔p

  • 零律:p11p00p∨1⇔1{\qquad}p∧0⇔0

  • 同一律:p0pp1pp∨0⇔p{\qquad}p∧1⇔p

  • 排中律:p¬p1p∨¬p⇔1

  • 矛盾律:p¬p0p∧¬p⇔0

  • 双重否定律:¬¬pp¬¬p⇔p

  • 蕴含等值式:pq¬pqp→q⇔¬p∨q

  • 等价等值式:pq(pq)(qp)p↔q⇔(p→q)∧(q→p)

  • 等价否定等值式(否命题):pq¬p¬qp↔q⇔¬p↔¬q

  • 假言易位(逆否):pq¬q¬pp→q⇔¬q→¬p

  • 归谬论(反证法):(pq)(p¬q)¬p(p→q)∧(p→¬q)⇔¬p

DM1.4 命题逻辑推理

前提:A1A2A3,...AkA_1,A_2,A_3,...,A_k

结论:BB

推理的形式结构:(A1A2A3...Ak)B(A_1∧ A_2∧ A_3∧ ... ∧ A_k)→B

如果 ABA→B 是永真式,则可以记为 ABA⇒B

重要的推理定律

  • 附加律:A(AB)A⇒(A∨ B)

  • 化简律:(AB)A(AB)B(A∧ B)⇒A{\qquad}(A∧ B)⇒B

  • 假言推理:(AB)AB(A→B)∧ A⇒B

  • 拒取式:(AB)¬B¬A(A→B)∧ ¬B⇒¬A

  • 析取三段论:(AB)¬AB(AB)¬BA(A∨ B)∨¬A⇒B{\qquad}(A∨ B)∨¬B⇒A

  • 假言三段论:(AB)(BC)(AC)(A→B)∧(B→C)⇒(A→C)

  • 等价三段论:(AB)(BC)(AC)(A↔B)∧(B↔C)⇒(A↔C)

  • 构造性两难:(AB)(CD)(AC)(BD)(A→B)∧(C→D)∧(A∨ C)⇒(B∨ D)

DM1.5 谓词

基本概念

  • 个体:表示客体的词。

    使用 a,b,c,a,b,c,\ldots 表示 个体常元,使用 x,y,z,x,y,z,\ldots 表示 个体变元

    个体的函数仍是个体。将个体变元的取值范围称为 个体域

  • 谓词:表示个体间关系或性质的词。

    常用 F,G,H,F,G,H,\ldots 表示 谓词常元谓词变元

    F(x)F(x) 表示 xx 具有性质 FF。如:F(x)F(x) 表示 " 是黑色的",而 aa 表示 “黑板”,则 F(a)F(a) 表示 “黑板是黑色的”

    F(x,y)F(x,y) 表示 xxyy 具有关系 FF。如:F(x,y)F(x,y) 表示 “x>yx>y”,则 F(5,2)F(5,2) 表示 5>25>2

  • 量词:表示数量的词

    全称量词: 表示任意、全部。如:x∀x 表示个体域中的所有 xxxF(x)∀xF(x) 表示个体域中所有 xx 都有性质 FF

    存在量词: 表示存在、有一个。如:x∃x 表示存在个体域里的 xxxF(x)∃xF(x) 表示在个体域中存在 xx 有性质 FF

命题符号化

一阶逻辑中命题逻辑化的两个基本公式:

  • x(F(x)G(x))∀x(F(x)→ G(x))

    个体域中所有具有性质 FF 的个体都具有性质 GG

  • x(F(x)G(x))∃x(F(x)∧ G(x))

    个体域中存在同时具有性质 FF 和性质 GG 的个体

一阶谓词逻辑公式及其分类

一阶谓词逻辑公式,简称公式。其形成逻辑类似于命题逻辑公式。而且,AA 是公式时,xA∀xAxA∃xA 也是公式

在公式 xA∀xAxA∃xA 中,称 xx指导变元,称 AA 为相应量词的 辖域。在该辖域中,xx 的所有出现都是 约束出现。所有非约束出现的变元都是 自由出现

解释

对于给定的公式 AA,如果指定 AA 的个体域是已知的 DD,使用特定的个体常元取代 AA 中的个体常元,用特定函数取代 AA 中的函数变元,用特定的谓词取代 AA 中的谓词变元,就构成了 AA 的一个解释。

一个公式 AA 可以有多种解释。当给出一种解释后,就能判断该解释的真假。

AA 在任何解释下都为真,称之为永真式。还有永假式、可满足式。

ABA↔ B 是永真式,则称 AABB 等值,记为 ABA⇔B,并称之为等值式。

以下是一些基本的等值式

  • 在有限个体域 D={a1,a2,,an}D=\lbrace a_1,a_2,\ldots,a_n\rbrace 中消去量词等值式

    xA(x)A(a1)A(a2)A(an)\quad ∀xA(x)⇔A(a_1)∧ A(a_2)∧ \ldots ∧ A(a_n)

    xA(x)A(a1)A(a2)A(an)\quad ∃xA(x)⇔A(a_1)∨ A(a_2)∨ \ldots ∨ A(a_n)

  • 量词否定等值式

    ¬xA(x)x¬A(x)\quad ¬∀xA(x)⇔∃x¬A(x)

    ¬xA(x)x¬A(x)\quad ¬∃xA(x)⇔∀x¬A(x)

  • 量词辖域收缩和扩张等值式(BB 中不含 xx

    x(A(x)B)xA(x)B\quad ∀x(A(x)∨ B)⇔∀xA(x)∨ B

    x(A(x)B)xA(x)B\quad ∃x(A(x)∨ B)⇔∃xA(x)∨ B

    x(A(x)B)xA(x)B\quad ∀x(A(x)∧ B)⇔∀xA(x)∧ B

    x(A(x)B)xA(x)B\quad ∃x(A(x)∧ B)⇔∃xA(x)∧ B

    x(A(x)B)xA(x)B\quad ∀x(A(x)→ B)⇔∃xA(x)→ B

    x(A(x)B)xA(x)B\quad ∃x(A(x)→ B)⇔∀xA(x)→ B

    x(BA(x))BxA(x)\quad ∀x(B→ A(x))⇔B→ ∀xA(x)

    x(BA(x))BxA(x)\quad ∃x(B→ A(x))⇔B→ ∃xA(x)

  • 量词分配等值式

    x(A(x)B(x))xA(x)B(x)\quad ∀x(A(x)∧ B(x))⇔∀xA(x)∧ ∀B(x)

    x(A(x)B(x))xA(x)B(x)\quad ∃x(A(x)∨ B(x))⇔∃xA(x)∨ ∃B(x)

前束范式

若公式具有形式 Q1x1Q2x2QkxkBQ_1 x_1 Q_2 x_2\ldots Q_k x_k B,则称其为 前束范式。其中 Qi(iik)Q_i(i\le i \le k)BB 中不含量词

换名规则:将公式 AA 中某量词辖域中出现的某个约束的个体变元及相应指导变元 xix_i 都改成公式中没有出现过的 xjx_j,所得公式 AAA'⇔A

一些重要的推理定律(注意:不是等值式)

  • xA(x)xB(x)xA(x)B(x)∀xA(x)∨ ∀xB(x)⇒∀xA(x)∨ B(x)
  • x(A(x)B(x))xA(x)xB(x)∃x(A(x)∧ B(x))⇒∃xA(x)∧ ∃xB(x)
  • x(A(x)B(x))xA(x)xB(x)∀x(A(x)→ B(x))⇒∀xA(x)→ ∀xB(x)
  • x(A(x)B(x))xA(x)xB(x)∀x(A(x)→ B(x))⇒∃xA(x)→ ∃xB(x)

<离散数学>DM1 逻辑关系
https://i-melody.github.io/2022/10/15/离散数学/1 逻辑关系/
作者
Melody
发布于
2022年10月15日
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