Составить предикат отношения принадлежности произвольной точки. Предикаты. Основные понятия. Операции над кванторами

Рассмотрим предложение

Это предложение не является высказыванием, так как о нем нельзя сказать, истинно оно или ложно. Оно называется предикатом или условием (на х и у). Приведем другие примеры предложений с переменными:

Есть простое число;

Есть четное число;

Меньше у,

Есть общий делитель у, z.

Будем считать, что допустимыми значениями переменных у и z являются натуральные числа. Если в предложениях заменить переменные их допустимыми значениями, то получатся высказывания, которые могут быть как истинными, так и ложными. Например,

2 есть простое число;

3 есть четное число;

5 меньше 7;

3 есть общий делитель 6 и 12.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Предложения с переменными, дающие высказывания в результате замены свободных переменных их допустимыми значениями, называются предикатами.

Предложения могут служить примерами предикатов.

По числу входящих свободных переменных различают предикаты одноместные, двухместные, трехместные и т. д. Предикаты (2) и (3) - одноместные, предикаты (1) и (4) - двухместные, предикат (5) - трехместный. Высказывания будем считать нульместными предикатами.

Заменяя в одноместном предикате (2) переменную натуральными числами, будем получать высказывания:

0 есть простое число;

1 есть простое число;

2 есть простое число;

3 есть простое число и т. д.

Некоторые из них являются истинными. Таким образом, данный одноместный предикат выделяет среди натуральных чисел те, при подстановке которых вместо переменной получается истинное высказывание, и его можно рассматривать как условие на значения свободной переменной, входящей в предикат. В данном случае числа, удовлетворяющие этому условию, - простые.

Одноместный предикат можно рассматривать как условие на объекты данного вида; двухместный - как условие на пары объектов данного вида и т. д.

Предикаты можно задавать различными способами. В алгебре часто рассматривают предикаты, заданные с помощью уравнений, неравенств, а также систем уравнений или неравенств. Например, неравенство задает одноместный предикат, уравнение - двухместный, а система уравнений - трехместный у, z - рациональные переменные).

Обозначать предикаты будем большими буквами латинского алфавита (возможно, с нижними индексами) с указанием в скобках всех свободных переменных, входящих в этот предикат. Например, - обозначение двухместного предиката, - трехместного и - обозначение -местного предиката.

В дальнейшем мы будем говорить об истинностном значении произвольного предиката на том или ином наборе входящих в него свободных переменных, понимая под этим истинностное значение высказывания, которое получается в результате замены свободных переменных соответствующими им значениями из рассматриваемого набора.

Высказывание, которое получается при подстановке в предикат набора допустимых значений вместо его переменных, будем обозначать Если это высказывание истинное (ложное), говорят, что набор значений удовлетворяет (не удовлетворяет) предикату

Цель семинара:

Рассмотреть практическое применение логики предикатов.

План занятия:

Рассматривается тема логика предикатов на которую отводится 2 часа семинарских занятий.

Задача 1. Каким отношениям и функциям соответствуют следующие предикаты, определённые на множестве натуральных чисел:

1. Предикат тождества Е:N 2 →B:

E(a 1 ,a 2)=1 тогда и только тогда, когда a 1 =a 2 .

2. Предикат порядка Q:N 2 →B:

Q(a 1 ,a 2)=1 тогда и только тогда, когда a 1 ≤ a 2.

3. Предикат делимости D:N 2 →B:

D(a 1 ,a 2)=1 тогда и только тогда, когда a 1 делится на а 2 .

4. Предикат суммы S:N 3 →B:

S(a 1 ,a 2 ,a 3)=1 тогда и только тогда, когда a 1 +a 2 =a 3.

5. Предикат произведения П:N 3 →B:

П(a 1 ,a 2 ,a 3)=1 тогда и только тогда, когда a 1 *a 2 =a 3 .

Решение .

1. Двухместному предикату тождества Е-“x 1 ”=”x 2 ” взаимно однозначно соответствуют:

а) двухместное отношение R 1 – «быть равным», R 1 N 2:(a 1 ,a 2) R 1 тогда и только тогда, когда E(a 1 ,a 2)=1;

б) одноместная функция (операция) тождества f 1 (x 1)=x 2 , а именно: f 1 (x)=x, f:N→N.

2. Двухместному предикату порядка Q-“x 1 ≤ x 2 ” взаимно однозначно соответствует двухместное отношение R 2 - «быть не больше», R 2 N 2:(a 1 ,a 2) R 2 тогда и только тогда, когда Q(a 1 ,a 2)=1.

Однако функции f(x 1)=x 2 для предиката порядка Q(x 1 ,x 2) не существует, так как не выполнено условие Р"(а 1 ,а 2 ,…а n ,а n +1)=0 при одинаковых значениях переменной x 1 существует не единственно значение переменной x 2 , при котором предикат Q истинен. Например, Q(2,4)=1 и Q(2,6)=1, однако 4≠6.

3. Двухместному предикату делимости D-“x 1 делится на х 2 ” взаимно однозначно соответствует двухместное отношение R 3 - “делится”, R 3 N 2:(a 1 ,a 2) R 3 тогда и только тогда, когда D(a 1 ,a 2)=1.

Однако функции f(x 1)=x 2 для предиката делимости D(x 1 ,x 2) не существует, так как не выполнено условие Р"(а 1 ,а 2 ,…а n ,а n +1)=0, например D(6,2)=1 и D(6,3)=1, однако 2≠3.

4. Трехместному предикату суммы S- “х 1 +х 2 =х 3 ” взаимно однозначно соответствуют:

а) трёхместное отношение R 4 N 3: (a 1 ,a 2, a 3) R 4 тогда и только тогда, когда S(a 1 ,a 2 ,a 3)=1;

б) двухместная функция (операция арифметики)- сложение f 2 (x 1 ,x 2), а именно х 1 +х 2 =х 3 .

5. Трёхместному предикату произведения П- “x 1 *x 2 =x 3 ” взаимно однозначно соответствуют:

а) трёхместное отношение R 3 N 3: (a 1 ,a 2, a 3) R 5 тогда и только тогда, когда П (х 1 ,х 2 ,х 3)=1;

б) двухместная функция (операция арифметики)- умножение f 3 (x 1 ,x 2)=x 3 , а именно х 1 *х 2 =х 3.

Взаимная однозначность соответствия между S и f 2 (П и f 3), обусловлена выполнением для предиката S(П) условия Р"(а 1 ,а 2 ,…а n ,а n +1)=0 для каждой системы элементов a 1 ,a 2 N существует единственный элемент а 3 N такой, что S(a 1 ,a 2 ,a 3)=1 (соответственно для П(a 1 ,a 2 ,a 3)=1).

Задача 2. Проиллюстрировать на примере предиката делимости, определённого в задаче 1, понятия переменного высказывания, истинного высказывания, ложного высказывания.

Решение .

Предикат делимости D(x 1 ,x 2)- это переменное (двухместное) высказывание, предметной областью которого могут служить любые множества действительных чисел, например множество N.

D(6,2)- высказывание, значение которого есть истина, т.е. истинное высказывание.

D(5,2)- ложное высказывание.

D(3,х), D(х,2)- переменные (одноместные) высказывания, истинность которых зависит от того, каким числом будет замещён символ x, но D(а,1)- истинное высказывание, так как для любого элемента а N имеет место: D(а,1)=1 (любое натуральное число делится на единицу).

Задача 3. Записать формулой логики предикатов предложение, отражающее транзитивное свойство делимости целых чисел.

Решение .

Составное высказывание (предложении), являющееся формулировкой свойства транзитивности отношения делимости целых чисел.

«если а делится на b и b делится на с, то а делится на с», состоит из трёх простых высказываний D(a,b), D(b,c) и D(a,c). Следовательно, транзитивное свойство делимости можно записать в виде составного высказывания (логической формулы):

«если D(a,b) и D(b,c), то D(a,с) или (D(a,b) & D(b,c)) → D(a,c).

Задача 4. Дать словесные формулировки следующих составных высказываний (предложений):

1. S(a,b,c) & D(a,d) & D(b,d)→D(c,d), где S и D- предикаты суммы и делимости соответственно (см.пример 1);

2. D(a,b) & S(a,b,c);

3. S(a,b,c) ~ S(b,a,c);

4. P 1 ~ P 2 , где P 1 – предикат «число 3n является чётным»; Р 2 - предикат «число n является чётным».

Решение .

1. «Если каждое слагаемое a,b суммы целых чисел делится на некоторое число d, то и сумма с делится на это число»:

S(a,b,c) & D(a,d) & D(b,d)→D(c,d).

2. «Число а не делится на число b, и неверно, что их сумма равна с»: D(a,b) & S(a,b,c).

3. «От перестановки мест слагаемых a и b сумма с не меняется»- свойство коммутативности арифметической операции сложения: S(a,b,c) ~ S(b,a,c).

4. «Число 3n является чётным тогда и только тогда, когда n является чётным»: P 1 ~ P 2.

Эквивалентность может быть выражена и другими словесными формулировками, в том числе:

· «из того, что Р 1 , следует то, что Р 2 , и обратно»;

· «из того, что Р 2 , следует то, что Р 1 , и обратно»;

· «условия Р 1 необходимо и достаточно для того, чтобы Р 2 »;

· «Р 2 необходимо и достаточно, чтобы Р 1 »;

· «Р 1 , если и только если Р 2 »;

· «Р 2 , если и только если Р 1 »;

· «условия Р 1 и Р 2 эквивалентны»;

· «Р 2 тогда и только тогда, когда Р 1 » и др.

Задача 5. Пусть х определён на множестве людей М, а Р(х)- предикат «х-смертен». Дать словесную формулировку предикатной формулы

Решение .

Выражение означает «все люди смертны». Оно не зависит от переменной х, а характеризует всех людей в целом, т.е. выражает суждение относительно всех х множества М.

Задача 6. Пусть Р(х)- предикат «х-чётное число», определённый на множестве М. Дать словесную формулировку высказывания определить его истинность.

Решение .

Исходный предикат Р(х)- «х- чётное число» является переменным высказыванием: при подстановке конкретного числа вместо переменной х он превращается в простое высказывание, являющееся истинным или ложным, например при подстановке числа 5 превращается в высказывание «5-чётное число», являющееся ложным. Высказывание означает «в М существует четное число». Поскольку множество М, на котором задан предикат Р(х), не определено в условии (в таком случае говорят, что задача сформулирована не вполне корректно), доопределим М.

Пусть предикат Р(х) определён на множестве натуральных чисел N, т.е. , тогда высказывание - истинно. В общем случае высказывание истинно на любом множестве М, содержащем хотя бы одно чётное число, и ложно на любом множестве нечетных чисел.

Задача 7. Пусть N(х)- предикат «х-натуральное число». Рассмотреть варианты навешивания кванторов. Проинтерпретировать полученные высказывания и определить их истинность.

Решение .

Высказывание «все числа- натуральные» истинно на любом множестве натуральных чисел и ложно, если М содержит хотя бы одно ненатуральное число, например целое отрицательное;

Высказывание «существует натурально х» истинно на любом множестве М, содержащем хотя бы одно натуральное число, и ложно- в противном случае.

Задача 8. Записать предикатной формулой предложение «Любой человек имеет отца».

Решение .

Для построения предикатной формулы используем два предиката «х- человек» и «у- отец х» и для удобства восприятия обозначим их соответственно: ЧЕЛОВЕК (х) и ОТЕЦ (у). Тогда предложение «Любой человек имеет отца» в предикатной форме имеет вид:

Заметим, что если предикат ОТЕЦ(у,х) определён на множестве людей, то выражение «любой человек имеет отца» можно записать проще:

Задача 9. Пусть предикат Р(х,у) описывает отношение «х любит у» на множестве людей. Рассмотреть все варианты навешивания кванторов на обе переменные. Дать словесную интерпретацию полученных высказываний.

Решение .

Обозначим предикат «х любит у» через ЛЮБИТ (х,у). Предложения, соответствующие различным вариантам навешивания

ЛЮБИТ(х,у)- «для любого человека х существует человек у, которого он любит» или «всякий человек кого-нибудь любит» (рис. а);

ЛЮБИТ (х,у)- «существует такой человек у, что его любят все х» (рис. б)ж

ЛЮБИТ (х,у)- «все люди любят всех людей» (рис. в);

ЛЮБИТ (х,у)- «существует человек, который кого- то любит» (рис. г);

ЛЮБИТ (х,у)- «существует человек, который любит всех людей» (рис. д);

ЛЮБИТ (х,у)- «для всякого человека существует человек, который его любит» (рис. е).

Из приведенного выше можно сделать вывод о том, что перестановка кванторов общности и существования меняет смысл высказывания, т.е. кванторы общности и существования не обладают в общем случае свойством коммутативности.

Задача 10. Пусть Q(x,y)- предикат порядка «х≤у». Рассмотреть различные варианты квантификации его переменных. Определить истинность получаемых выражений для разных случаев интерпретации области определения М предиката, х, у М.

Решение .

Одноместный предикат от у: « для любого х имеет место х≤у». Если М- бесконечное множество неотрицательных целых чисел, то этот предикат ложен; на любом конечном множестве натуральных чисел предикат истинен в единственной точке, представляющей наибольшее число в М. При подстановке любого другого у из М этот предикат обращается в ложное высказывание;

Одноместный предикат от х: «для любого у имеет место х≤у». Если М-множество неотрицательных целых чисел, то этот предикат истинен в единственной точке х=0 и ложен при подстановке вместо х любого числа из М;

Одноместный предикат от у: «существует число в М, которое не больше у». Если М- любое непустое множество чисел, то данный предикат превращается в истинное высказывание при подстановке какого- либо у из М.

Одноместный предикат от х: « существует число в М, которое не меньше х». На любом непустом множестве М чисел данный предикат превращается в истинное высказывание при подстановке какого- либо х из М.

Высказывание « для любых х и у выполняется х≤у» ложно на любом множестве, состоящем более, чем из одного элемента, и истинно на множестве с одним элементом;

Высказывание «существуют такие х и у, что х≤у» истинно на любом непустом множестве;

Высказывание «для любого числа х существует число у, не меньше чем х» истинно на любом непустом множестве;

Высказывание «существует у такой, что для любого х х≤у»утверждает, что в М имеется единственный максимальный элемент;

Высказывание «существует х такой, что он не больше любого у» утверждает, что в М имеется единственный минимальный элемент.

Высказывание «для любого числа у существует число х, не больше, чем у» истинно на любом непустом множестве

Задача 11. Рассмотреть все возможные варианты навешивания кванторов на предикат D(х,у)- «х делится на у», определенный на множестве натуральных чисел N. Дать словесные формулировки полученных высказываний и определить их исьтинность.

Решение .

Операции навешивания кванторов приводят к следующим формулам:

Одноместный предикат «всякое натуральное число из N делится на натуральное число у из N»; истинный только для одного значения свободной переменной у=1;

Переменное высказывание «существует натуральное число, которое делится на у», истинное для любого значения свободной переменной у, взятой из множества N;

Переменное высказывание «натуральное число х делится на всякое натуральное число у», ложное для любого значения свободной переменной х, взятой из N;

Переменное высказывание «существует натуральное число, которое делит натуральное число х», истинное для любого значения свободной переменной х;

Высказывания «для любых двух натуральных чисел имеет место делимость одного на другое» ложные;

Высказывания «существуют такие два натуральных числа, что первое делится на второе», истинны;

Высказывание «существует натуральное число, которое делится на любое натуральное», ложное;

Высказывание « для всякого натурального числа найдется такое натуральное, которое делится на первое», истинное;

Окончательно получим префиксную нормальную форму для исходной предикатной формулы.

Понятие предиката.

Предикат- представляет собой функцию субъекта и выражения свойств о субъекте.

Средства, предоставляемые логикой высказываний, оказываются недостаточными для анализа многих математических рассуждений. В алгебре логики не рассматриваются ни структура высказываний, ни, тем более, их содержание. В то же время и в науке, и в практике используются заключения, существенным образом зависящие как от структуры, так и от содержания используемых в них высказываний.

Например, в рассуждении «Всякий ромб – параллелограмм; ABCD – ромб; следовательно, ABCD – параллелограмм» посылки и заключение являются элементарными высказываниями логики высказываний и с точки зрения этой логики рассматриваются как целые, неделимые, без учёта их внутренней структуры. Следовательно, алгебра логики, будучи важной частью логики, оказывается недостаточной в анализе многих рассуждений.

Поэтому возникает необходимость в расширении логики высказываний и построении такой логической системы, средствами которой можно исследовать структуру и содержание тех высказываний, которые в логике высказываний рассматриваются как элементарные.

Логика предикатов , как и традиционная формальная логика, расчленяет элементарное высказывание на субъект (буквально – подлежащее, хотя оно может играть и роль дополнения) и предикат (буквально – сказуемое, хотя оно может играть и роль определения).

Субъект – это то, о чем что-то утверждается в высказывании, а предикат – это то, что утверждается о субъекте. Логика предикатов – это расширение логики высказываний за счет использования предикатов в роли логических функций.

Например, в высказывании «7 – простое число», «7» – субъект, «простое число» – предикат. Это высказывание утверждает, что «7» обладает свойством «быть простым числом».

Если в рассмотренном примере заменить конкретное число 7 переменной х из множества натуральных чисел, то получим высказывательную форму «х – простое число». При одних значениях х (например, х = 13, х = 17) эта форма дает истинные высказывания, а при других значениях х (например, х = 10, х = 18) эта форма дает ложные высказывания.

Определение 1. Одноместным предикатом Р (х ) называется всякая функция одного переменного, в которой аргумент x пробегает значения из некоторого множества M , а функция при этом принимает одно из двух значений: истина или ложь.

Множество M , на котором задан предикат, называется областью определения предиката.

Множество , на котором предикат принимает только истинные значения, называется областью истинности предиката Р (х ).

Так, предикат P (x ) – «х – простое число» определён на множестве N , а множество для него есть множество всех простых чисел.

Определение 2. Предикат Р (х ), определённый на множестве M , называется тождественно истинным (тождественно ложным ), если .

Определение 3. Двухместным предикатом P ( x ,у ) называется функция двух переменных х и у , определённая на множестве М =М 1 ×М 2 и принимающая значения из множества {1,0}.

В качестве примеров двухместных предикатов можно назвать предикаты: Q (x ,у ) – «х = у » предикат равенства, определённый на множестве R 2 =R ×R ; F (x ,у ) – «х || у » прямая х параллельна прямой у , определённой на множестве прямых, лежащих на данной плоскости.

Аналогично определяется n -местный предикат.

Говорят, что предикат Р (х ) является следствием предиката Q (х ) , если ; и предикаты Р (х ) и Q (х )равносильны , если .

Приведём примеры к изложенному материалу.

Пример 1. Среди следующих предложений выделить предикаты и для каждого из них указать область истинности, еслиM = R для одноместных предикатов и M = R×R для двухместных предикатов:

1) х + 5 = 1;


2) при х = 2 выполняется равенство х 2 – 1 = 0;
3) х 2 – 2х + 1 = 0;
4) существует такое число х , что х 3 – 2х + 1 = 0;
5) х + 2 х – 4;
6) однозначное неотрицательное число х кратно 3;
7) (х + 2) – (3х – 4);
8) х 2 + у 2 > 0.

Решение . 1) Предложение является одноместным предикатом Р (х ), I P = {– 4};
2) предложение не является предикатом. Это ложное высказывание;
3) предложение является одноместным предикатом Р (х ), I P = {1};
4) предложение не является предикатом. Это истинное высказывание;
5) предложение является одноместным предикатом Р (х ), I P = (3; +∞);
6) предложение является одноместным предикатом Р (х ), I P = {0; 3; 6; 9};
7) предложение не является предикатом;
8) предложение является двухместным предикатом Q (х,y ), I Q = R×R \ {(0,0)}.

Пример 2. Изобразить на декартовой плоскости область истинности предиката .

Решение . Неравенство, составляющее исходный предикат, ограничивает часть плоскости, заключенную между ветвями параболы х = у 2 , она изображена серой частью рисунка:


24.Логические операции над предикатами: конъюнкция, дизъюнкция, отрицание, импликация. Кванторные операции. Кванторы всеобщности и существования.

Логические операции над предикатами

Предикаты, так же, как высказывания, принимают два значения и и л (1, 0), поэтому к ним применимы все операции логики высказываний.

Рассмотрим применение операций логики высказываний к предикатам на примерах одноместных предикатов.

Пусть на некотором множестве М определены два предиката Р (х ) и Q (х ).

Определение 4. Конъюнкцией двух предикатов Р (х ) и Q (х ) называется новый предикат Р (х )&Q (х ), который принимает значение «истина» при тех и только тех значениях , при которых каждый из предикатов Р (х ) и Q (х ) принимает значение «истина» и принимает значение «ложь» во всех остальных случаях. Очевидно, что областью истинности предиката Р (х )&Q (х ) является общая часть областей истинности предикатов Р (х ) и Q (х ), т.е. пересечение .

Так, например, для предикатов Р (х ): «х – четное число» и Q (х ): « х кратно 3» конъюнкцией Р (х )&Q (х ) является предикат «х – четное число и х кратно 3», то есть предикат «х делится на 6».

Определение 5. Дизъюнкцией двух предикатов Р (х ) и Q (х ) называется новый предикат , который принимает значение «ложь» при тех и только тех значениях , при которых каждый из предикатов принимает значение «ложь» и принимает значение «истина» во всех остальных случаях. Ясно, что областью истинности предиката является объединение областей истинности предикатов Р (х ) и Q (х ), то есть объединение .

Определение 6. Отрицанием предиката Р (х ) называется новый предикат , который принимает значение «истина» при всех значениях , при которых предикат Р (х ) принимает значение «ложь», и принимает значение «ложь» при тех значениях , при которых предикат Р (х ) принимает значение «истина». Очевидно, что, .

Определение 7. Импликацией предикатов Р (х ) и Q (х ) называется новый предикат , который является ложным при тех и только тех значениях , при которых одновременно Р (х ) принимает значение «истина», а Q (х ) – значение «ложь» и принимает значение «истина» во всех остальных случаях.

Так как при каждом фиксированном справедлива равносильность , то .

Ясно, что при выполнении логических операций над предикатами к ним применимы и равносильности алгебры логики.

Пример 3. Пусть даны предикаты А (х,у ) и В (х,у ), определенные на множестве . Найти множество истинности предиката и изобразить ее с помощью кругов Эйлера-Венна.

Решение . Так как , то .

Изображена серой частью рисунка:

Можно рассматривать и обратную задачу: «Зная область истинности предиката, полученного в результате применения логических операций к некоторым предикатам, записать этот предикат».

Пример 4. Записать предикат, полученный в результате логических операций над предикатами Р (х ), Q (х ) и R (х ), область истинности которого изображена серой частью рисунка:

Решение . Так как здесь , то искомый предикат имеет вид: .
Кванторные операции над предикатами

Пусть имеется предикат Р (х ), определенный на множестве М . Если , то при подстановке а вместо х в предикат Р (х ) получится высказывание Р (а ). Такое высказывание называется единичным . Наряду с образованием из предикатов единичных высказываний в логике предикатов рассматривается еще две операции, которые превращают одноместный предикат в высказывание.

Определение 8. Пусть Р (х М . Под выражением понимают высказывание, истинное, когда Р (х ) тождественно истинный на множестве М предикат, и ложное в противном случае. Это высказывание уже не зависит от х . Соответствующее ему словесное выражение будет: «Для всякого х Р (х ) истинно». Символ называют квантором всеобщности .

Переменную х в предикате Р (х ) называют свободной (ей можно придавать различные значения из М ), в высказывании переменную х называют связанной квантором .

Определение 9. Пусть Р (х ) – предикат, определенный на множестве М . Под выражением понимают высказывание, которое является истинным, если существует хотя бы один элемент , для которого Р (х ) истинно, и ложным в противном случае. Это высказывание уже не зависит от х . Соответствующее ему словесное выражение будет: «Существует х , при котором Р (х ) истинно». Символ называют квантором существования. В высказывании переменная х связана квантором .

Приведем пример употребления кванторов.

Пример 5. Пусть на множестве N натуральных чисел задан предикат Р (х ): «Число х кратно 5». Используя кванторы, из данного предиката можно получить высказывания: – «Все натуральные числа кратны 5»; – «Существует натуральное число, кратное 5». Очевидно, первое из этих высказываний ложно, а второе истинно.

Ясно, что высказывание истинно только в том единственном случае, когда Р (х ) – тождественно истинный предикат, а высказывание ложно только в том единственном случае, когда Р (х ) – тождественно ложный предикат.

Кванторные операции применяются и к многоместным предикатам. Так, применение к двухместному предикату Q (х,у ) квантора всеобщности по переменной х дает одноместный предикат , зависящий от у . К этому предикату можно применить кванторную операцию по переменной у . В результате получим или высказывание или высказывание .

Таким образом, может быть получено одно из восьми высказываний: , , , , , , , .

Легко показать, что перестановка любых кванторов местами, вообще говоря, изменяет логическое значение высказывания.

Пример 6 . Пусть предикат Q (х,у ): «ху» определен множестве N × N. Показать, что высказывания и имеют различные логические значения.

Решение . Так как высказывание означает, что для всякого натурального числа у существует натуральное число х такое, что у является делителем х , то это высказывание истинно. Высказывание означает, что есть натуральное число х , которое делится на любое натуральное число у. Это высказывание, очевидно, ложно.

Если предикат Р (x ) является тождественно истинным, то истинными будут высказывания Р (а 1), Р (а 2),..., Р (а n ). При этом истинными будут высказывание и конъюнкция Р (а 1)&Р (а 2)&...&Р (а n ).

Если же хотя бы для одного элемента Р (а k ) окажется ложным, то ложными будут высказывание и конъюнкция Р (а 1)&Р (а 2)&...&Р (а n ). Следовательно, справедлива равносильность

Нетрудно показать, что справедлива и равносильность

Это означает, что кванторные операции обобщают операции конъюнкции и дизъюнкции на случай бесконечных областей.

25. Понятие формулы логики предикатов. Значение формулы логики предикатов. Равносильные формулы логики предикатов. Основные равносильности логики предикатов.

Понятие формулы логики предикатов.

В логике предикатов используется следующая символика:

1. Символы р , q , r , ... – переменные высказывания, принимающие два значения: 1 – истина, 0 – ложь.

2. Предметные переменные – х , у , z , ..., которые пробегают значения из некоторого множества М : х 0 , у 0 , z 0 , ... – предметные константы, то есть значения предметных переменных.

3. Р (·), F (·) – одноместные предикатные переменные; Q (·,·,...,·), R (·,·,...,·) – n -местные предикатные переменные. Р 0 (·), Q 0 (·,·,…,·) – символы постоянных предикатов.

4. Символы логических операций: .

5. Символы кванторных операций: .

6. Вспомогательные символы: скобки, запятые.

Определение формулы логики предикатов.

1. Каждое высказывание как переменное, так и постоянное, является формулой.

2. Если F (·,·,...,·) – n -местная предикатная переменная или постоянный предикат, а x 1 , х 2 , ..., х n – предметные переменные или предметные постоянные, не обязательно все различные, то F (x 1 , х 2 ,..., х n ) есть формула. В этой формуле предметные переменные являются свободными. Формулы вида 1 и 2 называются элементарными.

3. Если A и B – формулы, причем такие, что одна и та же предметная переменная не является в одной из них связанной, а в другой свободной, то слова есть формулы. В этих формулах те переменные, которые в исходных формулах были свободными, являются свободными, а те, которые были связанными, являются связанными.

4. Если А – формула, то – формула, и характер предметных переменных при переходе от формулы А к формуле не меняется.

5. Если А (х ) – формула, в которую предметная переменная х входит свободно, то слова и являются формулами, причем предметная переменная в них входит связанно.

6. Никакая другая строка символов формулой не является.

Например, если Р (x ) и Q (х,у ) – одноместный и двухместный предикаты, а q , r – переменные высказывания, то формулами будут слова:

Не является формулой слово: . Здесь нарушено условие п.3, так как в формулу переменная х входит связано, а в формулу Р (х ) переменная х входит свободно.

Из определения формулы логики предикатов ясно, что всякая формула алгебры высказываний является формулой логики предикатов.

Пример 1. Какие из следующих выражений являются формулами логики предикатов? В каждой формуле выделите свободные и связанные переменные.

2) ;

3) ;

Решение. Выражения 1), 2), 4), 6) являются формулами, так как записаны в соответствии с определением формулы логики предикатов. Выражения 3) и 5) не являются формулами. В выражении 3) операция конъюнкции применена к формулам P (x ) и ; в первой из них переменная х свободна, а во второй связана квантором общности, что противоречит определению формулы. В выражении 5) квантор существования по переменной у навешен на формулу , в которой переменная у связана квантором общности, что также противоречит определению формулы.

В формуле 1) переменная у свободна, а переменные х и z связаны. В формуле 2) нет предметных переменных. В формуле 4) переменная х связана, а переменная у свободна.

Значение формулы логики предикатов

О логическом значении формулы логики предикатов можно говорить лишь тогда, когда задано множество М , на котором определены входящие в эту формулу предикаты. Логическое значение формулы логики предикатов зависит от значения трех видов переменных, входящих в формулу:

а) переменных высказываний;
б) свободных предметных переменных из множества М ;
в) предикатных переменных.

При конкретных значениях каждого из трех видов переменных формула логики предикатов становится высказыванием, имеющим истинное или ложное значение.

Пример 2. Дана формула , где предикаты Р (x ), Q (x ) и R (x ) определены на множестве N. Найти ее значение, если

1) Р (x ): «число х делится на 3», Q (x ): «число х делится на 4», R (x ): «число х делится на 2»;

2) Р (x ): «число х делится на 3», Q (x ): «число х делится на 4», R (x ): «число х делится на 5».

Решение. В обоих случаях конъюнкция Р (x )&Q (x ) есть утверждение, что число х делится на 12. Но тогда при всех х , если число х делится на 12, то оно делится и на 2, и, значит, в случае 1) формула истинна.

В алгебре логики высказывания рассматриваются как нераздельные целые и только с точки зрения их истинности или ложности.

Ни структура высказываний, ни, тем более, их содержание не затрагиваются. В то же время и в науке, и в практике используются заключения, существенным образом зависящие как от структуры, так и от содержания используемых в них высказываний.

Например, в рассуждении “Всякий ромб – параллелограм; АВСD – ромб; следовательно, АВСD - параллелограм ” посылки и заключение являются элементарными высказываниями логики высказываний и с точки зрения этой логики рассматриваются как целые, неделимые, без учета их внутренней структуры. Следовательно, алгебра логики, будучи важной частью логики, оказывается недостаточной в анализе многих рассуждений.

В связи с этим возникает необходимость в расширении логики высказываний, в построении такой логической системы, средствами которой можно было бы исследовать структуру тех высказываний, которые в рамках логики высказываний рассматриваются как элементарные.

Такой логической системой является логика предикатов, содержащая всю логику высказываний в качестве своей части.

Логика предикатов, как и традиционная формальная логика, расчленяет элементарное высказывание на субъект (буквально – подлежащее, хотя оно может играть и роль дополнения) и предикат (буквально – сказуемое, хотя оно может играть и роль определения).

Субъект – это то, о чем что-то утверждается в высказывании;

предикат – это то, что утверждается о субъекте.

Например, в высказывании “7 - простое число”, “7” – субъект, “простое число” – предикат. Это высказывание утверждает, что “7” обладает свойством “быть простым числом”.

Если в рассмотренном примере заменить конкретное число 7 переменной х из множества натуральных чисел, то получим высказывательную форму “х – простое число”. При одних значения х (например, х=13, х=17) эта форма дает истинные высказывания, а при других значениях х (например, х=10, х=18) эта форма дает ложные высказывания.

Ясно, что эта высказывательная форма определяет функцию одной переменной х, определенной на множестве N, и принимающую значения из множества {1;0}. Здесь предикат становится функцией субъекта и выражает свойство субъекта.

Областью значений предиката является двухэлементное множество B={true, false}. При этом сами переменные x 1 ,...,x n называются предметными переменными, т.е. их значения не являются логическими (не принадлежат множеству B).

Понятие ``предикат"" обобщает понятие ``высказывание"". Неформально говоря, предикат – это высказывание, в которое можно подставлять аргументы. Если аргумент один – то предикат выражает свойство аргумента, если больше – то отношение между аргументами.

Так как значениями предикатов являются true или false, то сами предикаты можно рассматривать как логические переменные. Из них можно составлять сложные логические выражения, образованные из простых предикатов с помощью знаков логических операций. После подстановки в такое составное выражение конкретных значений предметных переменных получается сложное высказывание, значение которого определяется истинностью или ложностью входящих в него простых высказываний и логическими операциями.

Определение 1.Логика предикатов, раздел математической логики, изучающий логические законы, общие для любой области объектов исследования (содержащей хоть один объект) с заданными на этих объектах предикатами (т. е. свойствами и отношениями).

В результате формализации логика предикатов принимает вид различных исчислений. Простейшими логическими исчислениями являются исчисления высказываний. В более сложных исчислениях предикатов описываются логические законы, связывающие объекты исследования с отношениями между этими объектами.

В классическом исчислении предикатов употребляются следующие знаки: 1) т. н. предметные переменные - буквы х, у, z ,..., которые содержательно рассматриваются как неопределённые имена объектов исследования теории; 2) предикатные переменные - знаковые комплексы вида P m , Q n , R l ,... (m, n, l - натуральные числа), причём, например, Q n означает произвольное n-местное отношение между объектами; 3) знаки для логических связок: конъюнкции &, дизъюнкции , импликации É, отрицания ù, означающие соответственно «... и...», «... или...», «если..., то...», «неверно, что...»; 4) знаки для кванторов " (квантор всеобщности), $ (квантор существования), означающие соответственно «для всех...» и «существует... такое, что...»; 5) запятая, скобки (для уточнения строения формул).

Определение 2Квантор (от лат. quantum - сколько), логическая операция, дающая количественную характеристику области предметов, к которой относится выражение, получаемое в результате её применения.

В обычном языке носителями таких характеристик служат слова типа «все», «каждый», «некоторый», «существует», «имеется», «любой», «всякий», «единственный», «несколько», «бесконечно много», «конечное число», а также все количественные числительные. В формализованных языках, составной частью которых является исчисление предикатов, для выражения всех подобных характеристик оказывается достаточным кванторов двух видов: Квантор всеобщности (оборот «для всех х», обозначается через " x, и Квантор существования («для некоторых х», обозначения: $ x.

С помощью кванторов можно записать четыре основных формы суждений традиционной логики: «все А суть В » записывается в виде " x [A (x )É ÉB (x )], «ни одно A не есть B » - в виде " x [A (x )É B (x )], «некоторые А суть B » - в виде $ x [A (x )&B (x )], «некоторые А не суть В » - в виде $ x [A (x )& B (x )] (здесь А (х ) означает, что х обладает свойством A) .

Часть формулы, на которую распространяется действие каких-либо Квантора, называется областью действия этого Квантора (её можно указать с помощью скобок). Применение Квантора уменьшает число свободных переменных в логическом выражении и превращает (если Квантор не «фиктивный», т. е. относится к переменной, действительно входящей в формулу) трёхместный предикат в двухместный, двухместный - в одноместный, одноместный - в высказывание.

Определение 3. Одноместным предикатом Р(x) называется произвольная функция переменной x, определенная на множестве M и принимающая значение из множества {1; 0}.

Определение 4. Множество М, на котором определен предикат Р(x), называется областью определения предиката Р(x).

Множество всех элементов , при которых предикат принимает значения “истина” (1), называется множеством (областью) истинности предиката Р(x), т.е. множество истинности предиката Р(х)- это множество или иначе: или так: Так, например, предикат Р(x) – “x – простое число” определен на множестве N, а множество истинности I P для него есть множество всех простых чисел.

Предикат Q(x) – “sin(x)=0” определен на множестве R, а его множеством истинности является

Предикат F(x) – “диагонали параллелограма x взаимно перпендикулярны” определен на множестве всех параллелограмов, а его множеством истинности является множество всех ромбов.

Из приведенных примеров видим, что одноместные предикаты выражают свойства предметов (субъектов).

Определение 5. Предикат Р(х), определенный на множестве М, называется тождественно истинным , если его множество истинности совпадает с областью определения, т. е. I p =M.

Определение 6. Предикат Р(х), определенный на множестве М, называется тождественно ложным , если его множество истинности является пустым множеством, т. е. I p =0.

Естественным обобщением понятия одноместного предиката является понятие многоместного предиката, с помощью которого выражаются отношениямежду предметами.

Примером бинарного отношения, т. е. отношения между двумя предметами, является отношение “меньше ”. Пусть это отношение введено на множестве Z целых чисел. Оно может быть охарактеризовано высказывательной формой “х

Определение 7. Двухместным предикатом Р(x,y) называется функция двух переменных x и y, определенная на множестве М=М 1 хМ 2 и принимающая значения из множества {1;0}.

В числе примеров двухместных предикатов можно назвать такие предикаты: Q(x, y) – “x=y” - предикат равенства, определенный на множестве RхR=R 2 ; F(x,y) – “х параллелен y”, “прямая х параллельна прямой y”, определенный на множестве прямых, лежащих на данной плоскости.

Совершенно аналогично вводится понятие трехместного предиката. Приведем пример трехместного предиката (функции трех переменных): S(x,y,z) – “x+y=z”. Подстановка в него х=3 превращает его в двухместный предикат: S(y,z) – “3+y=z”, а подстановка х=3, z=2 – в одноместный предикат S(y) – “3+y=2”.Подстановка же S(2,3,5) превращает его в истинное высказывание, а S(1,7,4)– в ложное.

Аналогично определяется и n-местный предикат (функция n переменных). Пример п- местного предиката:

R(x 1 , x 2 ,…,x n): a 1 x 1 +…+a n x n =0,

который, как видим, представляет собой алгебраическое уравнение с n неизвестными.

При n=0 будем иметь нульместный предикат – это логическая (пропозициональная) переменная, принимающая значения из множества {1;0}.

Исторически понятие о предикате явилось следствием логического анализа высказываний естественного языка, т. е. выяснения их логической структуры, выяснения того, какой логикой может быть выражен (формализован) смысл этих высказываний. Идея выделения логической структуры речи, в отличие от грамматической, для нужд логической дедукции принадлежит Аристотелю. В аристотелевской и в последующей «традиционной» логике П. понимался в узком смысле как один из двух терминов суждения, а именно тот, в котором нечто говорится о предмете речи - субъекте. Форма сказывания - предикативная связь - сводилась при этом к атрибутивной связи, т. е. выражала «присущность» предмету некоторого признака. Аристотель выделял 4 типа признаков, способных играть роль предиката.: родовые, видовые, собственные и случайные. Это т. н. предикабилии - типы сказуемых.

Основой для «функциональной» точки зрения на предикат служат в естественных и в искусственных (точных) языках выражения вида повествовательных предложений, содержащие неопределённые термины - неопределённые имена предметов: переменные (параметры) в записи утверждений в математическом языке, например х + 2 = 4; слова «нечто», «некто», «кто-либо» и пр., играющие в естественном языке роль переменных в выражениях типа: «Некто человек», «Кто-то любит кого-то», «Если кто-либо человек, то он смертен» и т.п. Записав эти выражения некоторым единым способом, например заменяя неопределённые термины пробелами, аналогично тому, как это делается в опросных бланках, «-+ 2 = 4», «-человек», «- любит -», «Если - человек, то - смертен», или же принимая запись с помощью переменных в качестве основной, «x + 2 = 4», «x человек», «х любит у », «Если х человек, то х смертен», легко заметить нечто общее между ними. Во-первых, наличие неопределённых терминов делает эти и подобные им выражения, вообще говоря, неопределёнными как в смысле того, что в них утверждается, так и в смысле их истинностного значения; во-вторых, всякое подходящее указание на область значений неопределённых терминов и одновременная квантификация или замена неопределённых терминов их значениями преобразует соответствующие выражения в осмысленные высказывания. В современной логике выражения, имеющие вид повествовательных предложений и содержащие неопределённые термины, получили общее название пропозициональных функций, или, сохраняя традиционный термин, предикатов. Как и числовые функции, предикаты. являются соответствиями. Неопределённые термины играют в них обычную роль аргументов функции, но, в отличие от числовых функций, значениями предикатов. служат высказывания. В общем случае, отвлекаясь от какого-либо определённого языка и сохраняя только функциональную форму записи, предикат от n переменных (от n неопределенных терминов) выражают формулой P (x 1 ,..., x n ), где n ³ 0. При n = 0 предикат совпадает с высказыванием, при n = 1 предикат будет свойством в узком смысле (1-местным предикатом), при n = 2 - свойством «пары» (2-местным предикатом, или бинарным отношением), при n = 3 - свойством «тройки» (3-местным предикатом, или тернарным отношением) и т.д.

Примеры предикатов:

1. Возьмём высказывания: `` Сократ - человек "", `` Платон - человек "". Оба эти высказывания выражают свойство ``быть человеком"". Таким образом, мы можем рассматривать предикат `` быть человеком "" и говорить, что он выполняется для С0ократа и Платона.

2. Возьмём высказывание: `` расстояние от Иркутска до Москвы 5 тысяч километров "". Вместо него мы можем записать предикат `` расстояние "" (означающий, что первый и второй аргумент этого предиката находятся на расстоянии, равном третьему аргументу) для аргументов `` Иркутск "", `` Москва "" и `` 5 тысяч километров "".

3. Высказывание "у каждого человека есть отец" можно записать:

"x $ y (человек(x) Éотец(y,x))

3. Выражение "Джон владеет красной машиной" записывается, например, так:

$ x (владеет(Джон, x) Éмашина(x) &красный(x))

4. Выражение «все простые числа больше чем x» можно записать

" y (P (y ) É Q (x, y )). , где

· P (x ) выражает условие ``x является простым числом"",

· Q (x, y ) выражает условие ``x меньше чем y"".

5. Выражение "у всех людей общий отец".

$ y "x (человек(x) É отец(y,x))

Понятие предиката

Определение 1

Предикат - утверждение, которое содержит переменные, принимающие значение $1$ или $0$ (истинно или ложно) в зависимости от значений переменных.

Пример 1

Например, выражение $x=x^5$ является предикатом, т.к. оно является истинным при $x=0$ или $x=1$ и ложным при всех остальных значениях $x$.

Определение 2

Множество, на котором предикат принимает только истинные значения, называется множеством истинности предиката $I_p$.

Предикат называется тождественно-истинным , если на любом наборе аргументов он принимает истинное значение:

$P (x_1, \dots, x_n)=1$

Предикат называется тождественно-ложным , если на любом наборе аргументов он принимает ложное значение:

$P (x_1, \dots, x_0)=0$

Предикат называется выполнимым , если хотя бы на одном наборе аргументов он принимает истинное значение.

Т.к. предикаты могут принимать только два значения (истинно/ложно или $0/1$), то к ним можно применять все операции алгебры логики: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция и т.д.

Примеры предикатов

Пусть предикат $R(x, y)$: $«x = y»$ обозначает отношение равенства, где $x$ и $y$ принадлежат множеству целых чисел. В этом случае предикат R будет принимать истинное значение для всех равных $x$ и $y$.

Другой пример предиката -- РАБОТАЕТ($x, y, z$) для отношения «$x$ работает в городе y в компании $z$».

Еще один пример предиката -- НРАВИТСЯ($x, y$) для «x нравится y» для $x$ и $y$, которые принадлежат $M$ -- множеству всех людей.

Таким образом, предикатом является все то, что утверждается или отрицается о субъекте суждения.

Операции над предикатами

Рассмотрим применение операций алгебры логики к предикатам.

Логические операции:

Определение 3

Конъюнкция двух предикатов $A(x)$ и $B(x)$ -- предикат, который принимает истинное значение при тех и только тех значениях $x$ из $T$, при которых каждый из предикатов принимает истинное значение, а ложное значение -- во всех остальных случаях. Множество истинности $T$ предиката -- пересечение множеств истинности предикатов $A(x)$ и $B(x)$. Например: предикат $A(x)$: «$x$ -- чётное число», предикат $B(x)$: «$x$ делится на $5$». Таким образом, предикатом будет выражение «$x$ -- чётное число и делится на $5$» или «$x$ делится на $10$».

Определение 4

Дизъюнкция двух предикатов $A(x)$ и $B(x)$ -- предикат, который принимает ложное значение при тех и только тех значениях $x$ из $T$, при которых каждый из предикатов принимает ложное значение и принимает истинное значение во всех остальных случаях. Множество истинности предиката -- объединение областей истинности предикатов $A(x)$ и $B(x)$.

Определение 5

Отрицание предиката $A(x)$ -- предикат, который принимает истинное значение при всех значениях $x$ из $T$, при которых предикат $A(x)$ принимает ложное значение и наоборот. Множество истинности предиката $A(x)$ -- дополнение $T"$ к множеству $T$ в множестве $x$.

Определение 6

Импликация предикатов $A(x)$ и $B(x)$ -- предикат, который является ложным при тех и только тех значениях $x$ из $T$, при которых $A(x)$ -- истинно, а $B(x)$ -- ложно, и принимает истинное значение во всех остальных случаях. Читается: «Если $A(x)$, то $B(x)$».

Пример 2

Пусть $A(x)$: «Натуральное число $x$ делится на $3$»;

$B(x)$: «Натуральное число $x$ делится на $4$».

Составим предикат: «Если натуральное число $x$ делится на $3$, то оно делится и на $4$».

Множество истинности предиката -- объединение множества истинности предиката $B(x)$ и дополнения к множеству истинности предиката $A(x)$.

Над предикатами помимо логических операций можно выполнять квантовые операции: применение квантора всеобщности, квантора существования и т.д.

Кванторы

Определение 7

Кванторы -- логические операторы, применение которых к предикатам превращает их в ложные или истинные высказывания.

Определение 8

Квантор -- логические операции, которые ограничивают область истинности предиката и создают высказывание.

Чаще всего используют кванторы:

    квантор всеобщности (обозначается символом $\forall x$) -- выражение «для всех $x$» («для любого $x$»);

    квантор существования (обозначается символом $\exists x$) -- выражение «существует $x$ такое, что... »;

    квантор единственности и существования (обозначается $\exists !x$) -- выражение «существует точно одно такое $x$, что... ».

В математической логике существует понятие связывание или квантификация , которые обозначают приписывание квантора к формуле.

Примеры применения кванторов

Пусть -- предикат «$x$ кратно $7$».

С помощью квантора всеобщности можно записать следующие ложные высказывания:

    любое натуральное число делится на $7$;

    каждое натуральное число делится на $7$;

    все натуральные числа делятся на $7$;

который будет иметь вид:

Рисунок 1.

Для записи истинных высказываний используем квантор существования :

    существуют натуральные числа, которые делятся на $7$;

    найдётся натуральное число, которое делится на $7$;

    хотя бы одно натуральное число делится на $7$.

Запись будет иметь вид:

Рисунок 2.

Пусть на множестве $x$ простых чисел задан предикат: «Простое число является нечетным». Поставив перед предикатом слово «любое», получим ложное высказывание: «Любое простое число является нечетным» (например, $2$ является простым четным числом).

Поставим перед предикатом слово «существует» и получим истинное высказывание: «Существует простое число, которое является нечетным» (например, $x=3$).

Таким образом, предикат можно превратить в высказывание, если поставить перед предикатом квантор.

Операции над кванторами

Для построения отрицания высказываний, которые содержат кванторы, применяется правило отрицания кванторов :

Рисунок 3.

Рассмотрим предложения и выделим среди них предикаты, указав область истинности каждого из них.