Расчетно-графическая работа 5 страница

2. ЛОГИКА ПРЕДИКАТОВ

Если объект высказывания, т.е. о чем говорится в предложении, не определен, то это предложение называют высказывательной функцией. Аргументами высказывательной функции являются предметные переменные, которые обозначают строчными буквами латинского алфавита х, у,z ¼ Эта функция приобретет значение "и" или "л" только при подстановке в высказывательную функцию вместо предметных переменных их конкретных значений. Конкретные значения аргументов высказывательной функции называют предметными постоянными, которые обозначают строчными буквами латвийского ал­фавита а, в, с, ¼.

Высказывательную функцию иначе называют предикатом (лат. praedicatum - логическое сказуемое).

Например,

а) если на множестве натуральных чисел задать высказывательные функции или предикаты

Р₁(x):= "x - простое число",

P₂(6, y):="y меньше 6",

P₃(6, y, z):="z есть частное от деления числа 6 на y",

где z и y есть предметные переменные (целые числа), а 6 – предметная постоянная (целое число), то высказываниями будут

P₁(3) = и, P₁(4) = л,

P₂(6,2) = и, P₂(6,7) = л,

P₃(6,2,3) = и, P₃(6,2,5) = л,

б) если на множестве имен индивидов, университетов и специальностей задать высказывательные функции или предикаты

P₄(x):="х - студент",

P₅(x, КГТУ):="студент х университета КГТУ",

P₆(x, y, прикладная информатика):= "студент x университета y, обучающийся по специальности "прикладная информатика””,

где x и y есть предметные переменные, а КГТУ и “прикладная информатика” – предметные постоянные, то высказываниями будут

P₄(Петров) = и, P₄(Сидоров) = л,

P₅(Петров, КГТУ) = и, P₅(Сидоров, КГТУ) = л,

P₆(Петров, КГТУ, "прикладная информатика") = и,

P₆(Сидоров, КГТУ, "прикладная информатика") = л.

При ограничении области определения предметных переменных вводят операторы, которые называют кванторами.

Суждение, в котором утверждается или отрицается наличие каких-либо признаков или отношений у части предметных переменных области определения, называют частным суждением. Как правило, эти суждения на естественном язы­ке отражают словами “один”, "несколько", "часть" и т.п. Для формализации таких суждений используют логическую операцию, ограничивающую область определения предиката. Этот оператор по­лучил название квантора существования, который обозна­чают так: “ $_x ”. Предикат записывают после квантора существования в круглых скобках $_x (Р_n (x)) На естественном языке эта запись означает: “существуют такие элементы х, что Рn(х) истинно (или ложно)".

Если частное суждение распространяется на несколько предметных переменных, то перед предикатом записывают все предметные переменные, по которым есть частное суждение, т.е.

$ _x, $ _y, $ _z,...(P_n(x, y, z,...)).

Для обозначения числа аргументов предиката часто используют верхние индексы. Например, часто записывают так

Р(х₁,x₂,x₃, ¼ x_n) = Рⁿ (х).

Например,

$_x(P₁(x)):= "cуществуют целые числа, которые являются простыми". Это условие выделяет на множестве целых чисел подмножество X = {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17,...}, для которого предикат P₁(x) принимает значение “и”.

$_y(P²₂(6,y)):="существуют числа y, которые меньше 6". Это условие выделяет на множестве целых чисел подмножество

Y= {1, 2, 3, 4, 5}, для которого предикат P₂(6,y) принимает значение “и”.

$_y(P³₃(6,2,z)):="существует число z, которое является частным от деления 6 на 2". Это условие выделяет на множестве целых чисел единственное число Z=3, для которого предикат P₃(6,2,z) принимает значение “и”.

Если P₇(x):="x имеет зачетную книжку", то

$_x(P₄(x)&ùP₇(x)):= "существуют студенты (x), которые не имеют зачетной книжки";

$_x$_y(P²₅(x,y)& ùP₇(x)):="существуют студенты (x) некоторых университетов (y), которые не имеют зачетной книжки".

Суждение, в котором утверждается или отрицается наличие каких-либо признаков или отношений для всех предметных переменных области определения, называют общими суждениями. Как правило, эти сужде­ния в естественном языке отмечают словами "все", "каждый", "любой" и т.п. Для формализации этих суждений используют логическую операцию над всей областью определения предиката. Оператор этой логической операции получил название квантора всеобщности, который обозначают так: "_x. Предикат записывают после квантора всеобщности в круглых скобках

" _x(Р_n (x)). На естественном языке эта формальная запись означает: “для всех х истинно (или ложно) значение Р_n(х)".

Если общее суждение распространяется на несколько предметных переменных, то перед предикатом записывают все предметные переменные, по которым есть общее суждение, т.е.

" _x, " _y, " _z,... (P_n(x, y, z,...)).

Например,

"_x(P₄(x)&P₇(x)):= "все (или каждый) студенты (x) имеют зачетную книжку";

"_x(P₅(x, КГТУ)&P₇(x)):="все (или каждый) студенты (x) университета КГТУ имеют зачетную книжку";

"_x"y(P₅(x,y)&P₇(x)):="все (или каждый) студенты (x) всех (или каждого) университетов (y) имеют зачетную книжку";

"_x(P³₆(x, КГТУ, "прикладная информатика")&P₇(x)):= "все (или каждый) студенты (x) университета КГТУ, обучающиеся по специальности "прикладная информатика", имеют зачетную книжку";

"_x"z(P³₆(x, КГТУ, z)&P₇(x)):= "все (или каждый) студенты (x) университета КГТУ, обучающиеся на всех специальностях (z), имеют зачетную книжку";

"x"_y"_z(P³₆(x,y,z)&P₇(x)):= "все (или каждый) студенты (x) всех (или каждого) университетов (y), обучающиеся на всех (или каждой) специальностях (z), имеют зачетную книжку".

Существуют предикаты, для которых область определения по различным предметным переменным ограничивают различными кванторами.

Например,

"_x$y(P²₂(x, y)):= "для всех целых чисел x существует меньшее число y".

"_x"_y$_z(P³₃(x, y, z)):="для всех целых чисел x и y существует число z, которое является частным от деления x на y".

Предметная переменная предиката, если по меньшей мере одно ее вхождение связано квантором, называют связанной переменной. Предметная переменная предиката, если по меньшей мере одно ее вхождение в формулу свободно от квантора, называют свободной переменной.

Например,

$_y(P²₂(x,y)):="для всех целых чисел x существуют меньшие числа y". В этом примере x – свободная, а y –связанная переменные.

$x "z(P³₆(x,y,z)&ùP₇(x)):= “есть студенты университета, которые не имеют зачетной книжки”. В этом примере x и z –связанные, а y –свободная переменные.

$_x "_y (Р²₁ (x; y) ® "_z (Р₂(z)) все пред­метные переменные связаны.

"_z (Р₁(z)&$_x(Р²₂(x; z))®(Р²₂(z; y)Ú(Р²₂(x; z)) предметные переменные x и z связанные, а y – свободная.

Р₁ (z)&($_x (Р²₂(x; z))®$_y (Р²₂(z; y))) предметные переменные x, y-связанные, а z – свободная.

Понятие свободной переменной подобно понятию глобальной пе­ременной, т.е. переменной вне текущей процедуры, а понятие связанной переменной подобно понятию локальной переменной для текущей процедуры.

Если высказывательная функция содержит один аргумент, то задан одноместный предикат, если она содержит n аргументов, то - n-местный предикат. Одноместный предикат, как правило, описывает наличие какого-либо признака у предмета, а предмета, а n-местный предикат наличие отношений между n предметами.

Пример: Если P₁(х) – одноместный предикат “ быть простым числом", то для х=5 имеем высказывание “верно, что 5-простое число" или Р₁(5)=и, а для x=4 имеем высказывание “неверно, что 4-простое число" или Р₁(4)=л.

Пример: Если Р₄(х) – одноместный предикат "быть студентом", то для х=”Петров” имеем высказывание “верно, что Петров - студент" или Р₄(Петров)=и, а для x=”Сидоров” имеем высказывание “неверно, что Сидоров – студент” или P₄(Сидоров)=л.

Пример: Если Р²₈(х; у) – двухместный предикат "студент x находится в аудито­рии y", то для х="Петров" и у="аудитория_382" имеем Р(Петров, аудитория_382) имеем высказывание "Студент Петров находится в ауди­тории 382", или Р²₈(Петров, аудитория 382)=и.

Пример: Если Р³₉(х; у; z) - предикат "z равен сумме чи­сел х и у", то для х=5 имеем высказывательную функцию “существуют такие z и y, что z равен сумме 5 и y” или $_y$_zР³₉(5; у; z), для х=5 и у=2 имеем высказывательную функцию “существует такое z, которое равно сумме 5 и 2 или $_zР³₉(5; 2; z), а для х=5, у=2 и z =7 имеем высказывание Р³₉(5; 2; 7).

Следует еще раз обратить внимание, что когда все предметные переменные замещены предметными постоянными, тогда предикат превращается в высказывание.

Между элементами области определения может быть задана некоторая структура или установлены какие-то функциональные отношения. Тогда функциональный символ f указывает на задание этого отношения между предметными переменными и/или предметными постоянными области определения, а для обозначения числа аргументов этого отношения ис­пользуют верхние индексы, т.е. fⁿ(x₁, x₂,...x_n).

Например, дату для Prolog-программы можно рассматривать как структуру, заданную на предметных переменных: число, месяц и год. В этом случае функциональным символом является слово “дата”, а аргументами число, месяц и год, т.е.

“дата(число, месяц, год)”.

Для предметных постоянных эта структура формирует выражение (например, “дата (1 января 2001)”), при подстановке которого в предикат определяет истинность или ложность высказывания.

Треугольник на плоскости также можно рассматривать для Prolog-программы как структуру на предметных переменных, описывающих координаты вершин треугольника. Тогда функциональным символом является слово “треугольник”, а аргументами этой функции - вершина(координаты_x,y), вершина(координаты x,y), вершина(координаты_x,y), т.е.

“треугольник(вершина(координаты_x,y),вершина(координаты_x,y),вершина(координаты x,y))”.

Для предметных постоянных эта структура формирует выражение, при подстановке которого в предикат определяет истинность или ложность высказывания.

Арифметическое выражение (x+y) может быть записано в Prolog-программе так: +(x, y). В этом случае предикат задает логическую операцию сравнения предметной постоянной и зна­чения функции +(x, y).

Пример: если х, у, z – натуральные числа и f²₊(х;у):="сложить числа х и у", то предикат Р³₉(х; у; z) может быть представлен так Р²₉(z, f²₁(х;у)):=”z равно сумме чисел x и y”.

Пример: Если х - палуба, у - краска, z - окрашенная палуба,

f²₂ (x;y)= красить(x, y), то Р²₁₀(f²₂(х; у); z):=“окрашенная палуба есть результат покраски палубы х краской у”.

2.1 Алгебра предикатов

Множество предметных переменных Т₁= {x, y, z,..} и постоянных Т₂= {a, b, c,..}, функциональных символов Т₃={f ⁱ₁ ; f ^j₂ ; f ^k₃ ;..} и предикатных Т₄=(P ⁱ₁ ; P ^j₂ ; P ^k₃ ;..} с заданными над T ={T₁; T₂; T₃; T₄} логическими операциями F ={ù; &; Ú; ®; «; "; $} формируют алгебру предикатов, т.е.

A_п=<T; F;>.

Любую предметную переменную и предметную постоянную называют терм и обозначают символом t_i.

Если f ⁿ_i есть n - местный функциональный символ и t₁, t₂,¼ t_n - термы, то f ⁿ_i (t₁; t₂;¼ t_n) также есть терм, где n –число аргументов функции, i – числовой индекс функции.

Никаких иных термов нет.

Если P ⁿ_i – n-местный предикатный символ и t₁; t₂;¼ t_n - термы, то F= Pⁿ_i (t₁; t₂;¼ t_n) - элементарная формула или атом. Предметные переменные, входящие в термы атома, являются свободными.

Если F₁ и F₂ формулы, то

(ùF₁ ); (F₁ &F₂); (F₁ÚF₂); (F₁®F₂);(F₁«F₂) также формулы.

В этих формулах предметные переменные также являются свободными.

Если F формула, a x - предметная переменная, входящая в атомы формулы F, то "_x(F) и $_x(F) также формулы. В этих формулах предметная переменная x среди множества термов формулы F является связанной.

Никаких иных формул нет.

Для формирования сложных формул используют вспомогательные символы “(“ и “)”.

2.1.1 Логические операции

Простейшими логическими опера­циями над предикатами также, как в исчислении высказываний, являются отрицание, конъюнкция, дизъюнкция, импликация и эквиваленция.

Отрицание (ùF(t₁; t₂;¼ t_n)) есть одноместная операция, посредством которой из данной формулы F(t₁; t₂;¼ t_n) полу­чают ее отрицание.

Пример: Если Р² (х; a):= "х находится на a " и a =”стол”, то формулы:

а) "_x(ù Р² (х; a)):= "для всех х верно, что х не находится на a “;

б) ù "_x(Р² (х; a)):= "не для каждого х верно, что х находит­ся на a ”;

в) ù $_x(Р² (х; a)):= “не существует х, для которого верно, что х находится на a ”.

В логике предикатов недостаточно использовать таблицы истинности Для доказательства истинности суждения необходимо использовать аксиомы исчисления предикатов.

Конъюнкция (F₁(t₁₁; t₁₂;..t_1n)&F₂(t₂₁; t₂₂;..t_2n)) есть двуместная операция, посредством которой из двух формул F₁ и F₂ получают новую формулу F (t₁₁; t₁₂;¼ t_1n; t₂₁; t₂₂;¼ t_2n) с числом предметных переменных и постоянных, равным их объединению у исходных формул. Значение формулы истинно тогда и только тогда, когда истинны обе форму­лы F₁ и F₂.

Пример: Если P₁(х):=“выдающийся музыкантом” и

P₂(х):= "талантливый писатель”, то формулы:

а) $_x(P₁(х))&$_x(P₂(х)):= ”существуют выдающиеся музыканты и существуют талант­ливые писатели";

б) $_x(P₁(х)&P₂(х)):= ”существуют лица, являю­щиеся талантливыми писателями и выдающимися музыкантами”.

Пример: Если х - предметная переменная для индивида,

a- предметная постоянная для индивида (например, Саша) и

P ²₁ (х; a):=”х дру­жит с a”, P²₂. (х; a):=“х встретил a ”, то фор­мулы:

а) $_x(P²₁.(х; a)&P²₂.(х; a)):= “Саша встретил друга”;

б) $_x(ù P²₁.(х; a)&P²₂.(х; a)):=“Саша встретил недруга”;

в) ù"_x(P²₁.(х; a)&P²₂.(х; a)):= “не каждый встречный есть друг Саши”;

r) $_x(P²₁.(х; a)&(ùP²₂.(х; a))):= “существуют друзья, с которыми Саша не встречается”.

Дизъюнкция (F₁(t₁₁; t₁₂;..t_1n)ÚF₂(t₂₁; t₂₂;..t_2n)) есть двуместная опе­рация, посредством которой из двух формул F₁ и F₂ получают новую формулу F (t₁₁; t₁₂;¼ t_1n; t₂₁; t₂₂;¼ t_2n) с числом предметных переменных и постоянных, равным их объединению у исходных формул. Значение формулы истинно тогда и только тогда, когда истинна хотя 6ы одна из формул F₁ или F₂.

Пример: Если х, у предметные переменные для городов России, P²₁.(х; y):= “переезд из х в у поездом”; P²₂.(х;y):= “переезд из х в у самолетом”; P²₃.(х; y):= “переезд из х в у автобусом”, то формулы:

a) "_x"_y(P²₁.(х; y)ÚP²₂.(х; y)ÚP²₃.(х; y)):= “для всех городов России возможен переезд поездом, автобусом или самолетом”;

б) ù"_x$_y(P²₁. (х; y)Úù P²₂. (х; y)Úù P²₃. (х; y)) - "не для всех городов x существуют города y, между которыми невозможен переезд автобусом или самолетом, но возможен поездом”.

Импликация (F₁(t₁₁; t₁₂;..t_1n)®F₂(t₂₁; t₂₂;..t_2n)) есть двухместная операция, посредством которой из двух формул F₁и F₂ получают новую формулу F(t₁₁; t₁₂;..t_1n; t₂₁; t₂₂;..t_2n) с числом предметных переменных и постоянных, равным их объедине­нию у исходных формул. Значение формулы ложно тогда и только тогда, когда F₁ истинно, а F₂ - ложно.

Пример: Если х - предметные переменные для индивида, P₁(x):= "быть судьей", P₂(x):= "быть юристом", то допустимы формулы:

a) "_x(P₁(x)®P₂(x)):= "все судьи - юристы";

б) ù"_x(P₂(x)®P₁(x)):= "неверно, что все юристы - судьи",

Пример: Если х - предметная переменная для животного и P₁(x):= "хищное животное", а P₂(x):= "кошка", то допустима формула:

"_x(P₂(x)® P₁(x)) "все кошки - хищные животные".

Пример: Если х-предметная переменная для индивида и P₁(x):="x принадлежит к большинству", а P₂(x):= "x стремится к миру", то допустима формула:

$_x(P₁(x)&P₂(x))&"_x(P₁(x)®P₂(x)):= “большинство людей стремится к миру".

Пример: Если х,y - предметная переменная для индивида и P₁(x):= "быть юношей", P₂(x):="быть девушкой", P²₃.(х; y):="х любит у", P²₄.(х; y):="х женат на у",

то допустимы формулы:

a) "_x(P₁(x)®$y(P₂(x)&P²₃. (х; y)):= “каждый юноша любит хотя бы одну девушку";

б) "_x"_y(P₁(x)&P₂(y)&P²₃.(х; y)®P²₄.(х; y)):=“юноши и девушки, которые любили друг друга, сформировали семьи".

Эквиваленция (F₁(t₁₁;t₁₂;..t_1n)«F₂(t₂₁; t₂₂;..t_2n)) есть двумест­ная операция, посредством которой из двух формул F₁ и F₂ получают новую формулу F (t₁₁; t₁₂;¼ t_1n; t₂₁; t₂₂;¼ t_2n) c числом предметных переменных и постоянных, равным их объединению у исходных формул. Значение формулы истинно тогда и только тогда, когда обе формулы F₁ и F₂ имеют одно и то же значение истины или лжи.

Пример: Если х-предметная переменная для животных и P₁(x):= "быть тюленем", P₂(x):= "быть ластоногим живатным", то допустима формула:

"_x(P₁(x)«P₂(x)):= "все тюлени-ластоногие животные".

Пример: Если х - предметная переменная, Р(х) - предикат, то допустима формула $_x(P(x))«ù"x(ùP(x)):= "суще­ствует переменная х, для которой Р(х) истинно, эквивалентноне для всех х Р(х) ложно".

2.1.2 Правила записи сложных формул

Рассмотренные логические операции позволяют формализовать с помощью термов, предикатов и кванторов внутреннюю структу­ру предложения и формировать сложные суждения.

Пример: Суждение “Некоторые действительные числа являются рациональными”.

В этом суждении есть два предиката P₁(x):=”быть действительным числом” и P₂(x):=”быть рациональным числом”. Формула сложного суждения должна быть записана так:

F=$_x(P₁(x)&P₂(x)).

Ошибочной является формула F=$_x(P₁(x)®P₂(x)):=”некоторые числа, если они являются действительными, то они рациональные, т.к. замена безкванторной части на эквивалентную дает F=$_x(ùP₁(x)ÚP₂(x)):=”некоторые числа не являются действительными или являются рациональными”.

Пример: Суждение “Все рациональные числа действительные”.

Формула сложного суждения должна быть записана так:

F="_x(P₁(x)®P₂(x)).

Ошибочной является формула F="_x(P₁(x)&P₂(x)):=”все числа являются и действительными и рациональными”.

Пример: Суждение “Ни один человек не является четвероногим. Все женщины – люди. Следовательно, не одна женщина не является четвероногой”[15].

В этом суждении три одноместных предиката P₁(x):”быть индивидом”, P₂(x):=”быть женщиной” и P₃(x):=”быть четвероногим”.

Формула сложного суждения должна быть записана так:

"_x(P₁(x)® ùP₃(x)); "_x(P₂(x)®P₁(x))

"_x(P₂(x)® ùP₃(x)).

Пример: Суждение “Некоторые республиканцы любят всех демократов. Ни один республиканец не любит ни одного социалиста. Следовательно, ни один один демократ не является социалистом”[13].

В этом суждении три одноместных предиката P₁(x):=”быть республиканцем”, P₂(x):=”быть демократом”, P₃(x):=”быть социалистом” и один двухместный предикат P²₄(x; y):=”x любит y”.

Формула сложного суждения должна быть записана так:

$_x (P₁(x)&"_y(P₂(y)®P²₄(x; y))); ù"_x(P₁(x)®"_y(P₃(y)®ùP²₄(x; y)))

"_x(P₂(x)®ùP₃(x)).

Пример: Суждение “Ни один торговец наркотиками не является наркоманом. Некоторые наркоманы привлекались к ответственности. Следовательно, некоторые люди, привлекавшиеся к ответственности, не являются торговцами наркотиков”.

В этом суждении три одноместных предиката P₁(x):=”быть торговцем наркотиков”, P₂(x):=”быть наркоманом”, P₃(x):=”привлекаться к ответственности ”.

Формула сложного суждения должна быть записана так:

"_x(P₁(x)®P₂(x)); $_x(P₂(x)& P₃(y))

$_x(P₃(x)&ùP₁(x)).

Пример: Суждение “Саша – мальчик, у которого нет машины. Таня –девочка, которая любит мальчиков, имеющих машины. Следовательно, Таня не любит Сашу”.

В этом суждении два одноместных предиката

P₁(x):=”быть мальчиком”, P₂(x):=”быть девочкой”, и два двухместных P₃(x; y):=”x любит y”, P₄(x; y):=”x имеет y” три высказывания P₁(a):=”Саша – мальчик”, P₂(b):=”Таня - девочка” и ùP₄(a; c):=”Саша не имеет машины (с)”.

Формула сложного суждения должна быть записана так:

P₁(a); P₂(b); ùP₄(a; c); $_x(P₂(x)&"_y(P₁(y) &P₄(y; c)® P₃(x; y))

P₂(b)&ùP₃(b; a)).

Приведенные примеры позволяют сформулировать некоторые правила записи сложных суждений.

1) каждое вхождение логической связки “ ù” относится к формуле, следующей непосредственно за логической связкой справа;

2) каждое вхождение логической связки “ &” после расстановки скобок связывает формулы, непосредственно окружающие логическую связку;

3) каждое вхождение логической связки “ Ú ” после расстановки скобок связывает формулы, непосредственно окружающие эту связку.

4)Логические связки по силе и значимости могут быть упорядочены так:

ù; &; Ú; ®; «.

5) за квантором общности чаще всего следует логическая связка импликации, а за квантором существования - конъюнкции;

6) если формула содержит подформулу, то внутренняя формула не должна содержать кванторов, связывающих ту же переменную, что и квантор формулы;

7) значения всех предметных переменных и постоянных должны принадлежать одной области определения предиката или функции;

8) если в одной формуле есть кванторы общности и существования, то при формализации суждений следует стремиться поставить квантор существования слева всей формулы.

2.1.3 Законы алгебры предикатов

Формулы называют равносильными, если при любых подстановках предметных постоянных они принимают одинаковое значение. Если две формулы F₁ и F₂ равносильны, т.е F₁=F₂, то они эквивалентны.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: