Формальное доказательство и формальный вывод.

Определение 1.16

Формальным доказательством (в теории L) называется конечная последовательность формул , причем каждая формула этой последовательности либо аксиома, либо получена по правилу MP из каких-либо двух предшествующих формул этой последовательности. Формальное доказательство является доказательством своей последней формулы . Формула B называется формально доказуемой, или формальной (теории L), если она имеет формальное доказательство.

Утверждение “Формула B формально доказуема в теории L” обозначается .

Введем соглашения:

a) Индекс L опускать;

b) Говорить «формальное доказательство», «формально доказуема», «формальная теорема» - доказательство «доказуема», «теорема».

Пример 1

Установить, что

1. 1. AC2 C=A,

2. 2. AC1

3. 3. MP(2, 1)

4. 4. AC1

5. 5.MP(4, 3)

Пояснение AC2 A, , B, C означает, что записано AC2, в которой формула С заменила формулой А, а формула В – формулой , пояснение MP(2, 1) означает, что формула получена в результате применения правила MP к формулам с номерами 2 и 1.

Следует заметить, что в проверенном доказательстве каждая из пяти формул. Является теоремой, в том числе и выписывание первые две аксиомы: доказательство любой аксиомы состоит из этой аксиомы.

Определение 1.17

Формальным выводом формулы B из формул, которые называются посылками или гипотезами называется конечная последовательность формул , заканчивающаяся формулой , причем каждая формула этой последовательности:

1. или одна из посылок ;

2. или аксиома;

3. или формула, полученная из некоторых двух предшествующих формул этой последовательности по правилу MP.

Если формальный вывод B из формул , то формула B называется формально выводимой из формул и обозначается: , или , где .

Очевидно, что доказательство – частный случай формального вывода из пустого множества посылок.

Введем соглашение: вместо «формальный вывод», «формально-выводима» будем говорить «вывод», «выводима».

В определениях 1.16 и 1.17 употребляемые термины «формальное доказательство», «формально доказуема», «формальный вывод», «формально-выводима» для явного указания на то, что эти доказательства и выводы строятся в предметной языки. Используемые слева от доказательства или вывода нумерация и справа от доказательства или вывода пояснения уже относится к метаязыку.

Пример 2

Установить, что , .

1. 1. Посылка

2. 2. Посылка

3. 3. AC4

4. 4.MP (2, 3)

5. 5. AC5

6. 6. MP (2, 5)

7. 7. MP (4, 1)

8. 8. MP (6, 7)

9. , 9. ОФВ- определение формального вывода (1-8)

Запись 9 подытоживает формальный вывод формулы С из формул , . Запись 9 сделана на метаязыке.

Свойства отношения выводимости.

Метатеорема 1(МТ1).

a) .

b) Если и , то

Доказательство

a) Для построения вывода формула из формул достаточно записать последовательно все формулы (в произвольном порядке), поместив последней формулу .

b) Заменив в данном выводе формулы С из формул формулы их данными выводами из формул .

Метатеорема 2 (МТ2).

Пусть Г – любое множество формул.

Тогда:

a) Если Г , то Г, В частности

b) Если , то

Следствие:

a) Если , то .

b) Если , то .

Метатеорема 3(МТ3).

Теорема дедукции (ТД), правило введения импликации (ВИ).

Пусть Г – любое множество формул.

Тогда:

c) Если Г, , то Г . В частности

d) Если , то .

Доказательство

По условию МТ3 вывод (1) формула B из множества формул (данный вывод).

Требуется доказать существование вывода (2) формула из формул множества Г (результирующий вывод).

Опишем алгоритм превращения данного вывода (1) в результирующей вывод (2). К каждой формуле данного вывода (1) припишем слово «». Тогда получим последовательность формул: , (3) заканчивающуюся нужной формулой . Эта последовательность не является, вообще говоря, выводом из множества формул Г. Однако можно перед каждой формулой вставить дополнительные формулы так, чтобы превратить последовательность формул (3) в (2). Вывод дополнительных формул зависит от того, с каким обоснованием формула входит в данный вывод (1). Возможны 4 типа обоснований:

1. - посылка множества Г;

2. - посылка А;

3. - аксиома;

4. – формула, полученная по MP из двух предшествующих формул и (p,q<i).

Рассмотрим каждый из этих случаев:

1. Пусть и . В этом случае является посылкой не только в данном выводе (1), но и в результирующем выводе (2). Тогда перед формулой последовательности (3) вставим две формулы и , из которых получается по правилу MP:

l. l. посылка

l +1. l +1. AC1

l +2. l +2. MP(l, l+1)

2. Пусть . Тогда - посылка в данном выводе (1), но не является таковой в результирующем выводе (2). В последовательности (3) будет стоять формула , которая является доказуемой (пример 1). Поэтому перед вставляем первые четыре формулы из ее доказательства.

3. Пусть – аксиома. Тогда поступаем, как и в случае 1.

4. Пусть – формула, полученная по MP из формул и (p,q<i) последовательности (1). Тогда должна иметь вид (или имеет вид ). Итак, получена из и по MP. В последовательности (2) в этом случае будут формулы и с некоторыми номерами S и t(S,t<i), и нужно обосновать включение в вывод (2) формула . Но формулы и и являются частями AC2. Таким образом, перед в данном случае необходимо вставить две формулы с номерами и :

S. S

……… …

t. t

……… …

U. AC2

U+1. MP(S, U)

U+2. MP(t,

Следствия:

a) Если , то . В частности;

b) Если , то .