第五章-数理逻辑

第五章数理逻辑数理逻辑是研究推论的数学分支.创始人是17世纪的德国数学家、哲学家莱布尼兹.他用数学方法研究抽象思维.数理逻辑与计算机科学有着密切的关系，它已成为计算机科学的基础理论.在提高计算机的工作效率，研究计算机实现哪些思维过程方面，数理逻辑起到了重要作用.

数理逻辑包括：证明论、模型论、递归论、公理化集合论、命题逻辑和谓词逻辑第一节命题与联结词一、命题我们把能够判断真假而不是可真可假的陈述句称为命题.命题所判断的结果称为命题的真值.真值只能取两个值：真或假.真值为真的命题称为真命题，真值为假的命题称为假命题.真和假分别用1和0表示，或者分别符号T和F表示.怎样判断给定的句子是否为命题：（1）是否是陈述句（2）真值是否唯一例1、判断下列句子是否为命题（1）请你不要说话！（2）今天早晨你吃饭了吗？（3）火星上有生物.（4）x-y≥1（5）人类战胜非典了吗？（6）雪是黑色的.（7）本命题是假的.（8）我正在说假话.在数理逻辑中，我们用大写字母P,Q,,A,B,,或加下标的大写字母

表示命题，表示命题的符号称为命题的标识符.例如1+1=10可符号化为：P:1+1=10

我们把不能再分解成其他命题的命题称为原子命题。由若干原子命题经过联结词复合而成的陈述句称为复合命题.如，如果天不刮风，天不下雨，那么天上有太阳.二、联结词

在自然语言中，常用的联结词有：“非”，“并且”，“或”，“如果，那么”，“当且仅当”.定义1、设P为命题，复合命题“非P”（或“P的否定”）称为P的否定式，记作,符号称为否定联结词，并规定为T当且仅当P为F.定义2、设P,Q为两个命题，复合命题P并且Q（或P并且Q）称为P与Q的合取式，记作P,称为合取联结词，并规定当且仅当P,Q同时为T时，P为T,其余情况P为F.

在自然语言中的“虽然，但是”，“不仅，而且”，“既，又”，“一面，一面”等联结词都可以符号化为注意：是连接两个命题的,而不是连接句子成分的.

定义3、设P,Q为两个命题，复合命题P或Q，称为P或Q的析取式。记作，称为析取联结词，当且仅当P,Q同时为F时，的真值为F,否则为T.例3、将下列命题符号化（1）马华既聪明又用功.（2）马华虽然聪明，但不用功.（3）赵海与赵波是兄弟.例4、

将下列命题符号化（1）王强爱唱歌或爱跳舞.（2）张利在教室里上课或在操场跑步.（3）他今天做了十道或而是道题.定义4、设P,Q为两个命题，复合命题“如果P，则Q”称为P与Q的蕴含式，记作,称P是蕴含式的前件，Q为蕴含式的后件，称为蕴含联结词.并规定为F当且仅当P为T,Q为F,其余情况的真值为T.例如：如果函数f(x)在点可导且取得极值，则在自然语句中，只要P就Q;P仅当Q;因为P,所以Q;只有Q才P;除非Q才P;除非Q否则非P,等等，都可符号化为例5、将下列命题符号化，并指出各命题的真值（1）如果雪是白色的，则1+2=3（2）如果雪不是白色的，则1+2=3（3）只有1+2≠3，雪才不是白色的（4）除非1+2=3，否则雪不是白色的（5）除非1+2≠3，雪才是白色的.定义5、设P,Q为两个命题，复合命题“P当且仅当Q”称为P与Q的等价式，记作PQ,称为等价联结词。当P与Q同真或同假时，PQ的真值为T，否则为F.例6、将下列命题符号化.（1）美国位于欧洲当且仅当1+2=4（2）小华心情愉快时，她就唱歌.反之，当她唱歌时，一定心情愉快.例7、设有命题P,Q,R分别为P:小王是大学生.Q:小刘是中共党员.R：小李是三好学生.写出P∧Q,QvR,(P∧R)Q,PR.PQ00P第二节命题公式及公式的等值和蕴含关系我们知道，不含任何联结词的命题称为原子命题，至少包含一个联结词的命题称作复合命题.原子命题的真值是唯一的，所以也称原子命题为命题常项或命题常元.真值可以变化的陈述句称作命题变元或命题变项（如x+y≥0）一、命题公式由命题变元，联结词和圆括号按一定规则组成的符号串称作合式公式.定义1、命题公式是由下列规则产生的符号串：（1）单一的命题变元本身是一个合式公式.（2）如果A是合式公式，则A是合式公式.（3）如果A和B是合式公式，则AB,AvB,AB,AB都是合式公式.（4）只有有限次地应用（1），（2），（3），所产生的符号串才是合式公式，简称公式.下列各式都是命题公式：

注:1）P),PQR,.这些不是命题公式.2）命题公式不是命题，只有在命题公式中，每个命题变元用指定的命题常元代替后，命题公式才有确定的真值，才为命题.例1设P：3是奇数；Q:2是偶数；R：是无理数.试把下列命题公式翻译成自然语言：（1）¬（

）(2)R(¬PQ）(3)¬Pv¬Q¬R定义2、设A为一命题公式，为出现在A中的所有命题变元，对

指定一组真值，称为对A的一种赋值或指派或解析.若指定一种指派使A的真值为T，则称这组值为A的成真指派.否则为成假指派.公式A（）有组指派，我们把公式A在所有指派下取值情况列成的表，称为命题公式A的真值表.例2、试求下列公式的真值表（1）(2)(3)¬定义3、设A是一个命题公式：（1）若A在它的各种指派下取值均为真，则称A是重言式或永真式.（2）若A在它的各种指派下取值均为假，则称A是矛盾式或永假式.（3）若A不是矛盾式，则称A是可满足式.例3、用真值表判断下列公式的类型（1）(2)

我们常把重言式记作1，把矛盾式记作0定义4、设A,B是命题公式，若AB是重言式，则称A与B等值的,记作,读作A与B等值.例4判断下列各组公式是否等值（1）(2)对于命题公式A,B,C,有下列性质（1）自反性:;(2)对称性：若，则(3)传递性：若且c重要的等值式，希望同学们牢记1、双重否定律：2、幂等律：,A∧A＜＝＞A3、结合律:(A∨B)∨C＜＝＞A∨(B∨C),(A∧B)∧C＜＝＞A∧(B∧C)4、交换律：A∨B＜＝＞B∨A,A∧B＜＝＞B∧A.5、分配律：A∨(B∧C)＜＝＞（A∨B)∧(A∨C)A∧(B∨C)＜＝＞（A∧B)∨

(A∧C)6、吸收律：A∨(A∧B)＜＝＞A,A∧(A∨B)＜＝＞A

7、德·摩根律：¬（AvB）＜＝＞，¬（A∧B）8、同一律：Av0＜＝＞A,A∧0＜＝＞0.9、零律：A∨1＜＝＞1,A∧0＜＝＞0.10、互否律：A∨¬A＜＝＞1,A∧¬A＜＝＞0.11、蕴含等值式：.12、等价等值式：∧().13、假言易位律：＜＝＞

14、等价否定等值式：15、归谬论:上表15组24个重要等值式，也叫做命题定律.由上表中的等值式能够推出更复杂的命题公式，我们称由已知的等值式推出另一些等值式的过程为等值演算法.置换规则：设X是公式A的子公式，若有Y也是公式，且X＜＝＞Y.如果A中的X用Y置换，得到的公式B,则A＜＝＞B.代入规则：在重言式中，将某个命题变元全用同一命题公式代入后，得到的公式仍然是重言式.例5、证明例6.证明例7.用等值演算法判断下列公式的类型（1）(2)(3)三、公式的蕴含关系定义5、设P,Q是两个公式，若是重言式，则称为蕴含重言式，记作，读作“P永真蕴含Q”.蕴含重言式有下列性质：（1）自反性：对于任意公式A，有(2)反对称性：对于任意公式A,B,若(3)传递性：对于任意公式A,B,C,若命题公式中常见的蕴含重言式见表5-9表5-9化简律（1）(2)附加律3）

(4)假言推论5）析取三段论

6)假言三段论

7)拒取式

)8构造性二难

9)(10)证明的方法1）用真值表或等值演算法证明是重言式.(1)假设前件A为真时，推出后件B也是真，则

（2）假设后件B为假时，推出前件A也为假，则定理1设A,B为任意的两个公式，的充分必要条件是例8、证明

第三节：对偶与范式一、对偶定义1、在仅含有的命题公式A中，将∧，∨分别换成∨，∧，若A中有1或0亦互相取代，所得公式称作A的对偶.显然A也是的对偶.例1、试写出下列公式的对偶（1）(2)定理1、设A与是互为对偶的两个公式，所有的命题变元为则或定理2、（对偶原理）如果则二、范式定义2、仅由命题变元或其否定构成的合取式称为质合取式，或简单合取式.定义3、仅由命题变元或其否定构成的析取式称为质析取式，或简单析取式.若P,Q,R是命题变元，则P,Q,R,都是质和取式.而P,Q,R,都是质析取式.定理3（1）一个质合取式为矛盾式当且仅当它同时含有某个命题变元P及其否定.(2)一个质析取式为重言式式当且仅当它同时含有某个命题变元P及其否定.定义4、（1）仅由有限个质析取式构成的合取式称为合取范式.(2)仅由有限个质合取式构成的析取式称为析取范式.（3）析取范式与合取范式统称的范式.定理4（范式存在定理）任意一个命题公式都存在与之等值的析取范式和合取范式.注意：既是合取范式又是析取范式.（问什么）求命题公式范式步骤：1、消去联结词2、利用双重否定律，德﹒摩根律，将否定联结词¬消去或移到变元之前.3、利用分配律：，.例2、求公式的析取范式和合取范式.定理5、（1）命题公式A为重言式当且仅当A的合取范式中每个质析取式至少同时含有一个命题变元及其否定.（2）命题公式A为矛盾式当且仅当A的析取式中每个质合取式至少同时含有一个命题变元及其否定.由上述定理知：公式A的析取范式可用于判断A是否为矛盾式；而A的合取范式可用于判断A是否为重言式.例3、判断公式的类型例4、判断公式的类型.提问：命题公式的析（合）取范式是否唯一.定义5、在含有n个命题变元的质合取式中，若每个命题变元和它的否定不同时出现，但是两者之一必须出现且仅出现一次，且第i个命题变元或它的否定式出现在从左算起的第i位上（若命题变元无脚标，则按字典顺序排列），这样的质合取式成为最小项.例如，两个命题变元P和Q，其最小项为：三个命题变元P、Q、R，其最小项：一般来说，n个命题变元共可产生个不同的最小项，且每个最小项只有一个成真指派.若将命题变元看成1，它的否定看成0，则每个最小项对应一个二进制或一个十进制数i，我们把所对应最小项记作.以三个命题变元为例：注明（1）每个最小项具有一个编码，当真值指派与该编码相同时，该最小项的真值为1，其余种指派其真值为0.例如最小项,编码为，当P的真值为1，Q的真值为0，R的真值为1，S的真值为0时，即唯一指派1010时，是最小项

的成真指派，其余的15种指派为成假赋值.（2）任意两个不同最小项的合取式为永假式（3）全体最小项的析取式为永真式.定义6、对于给定的命题公式，如果有一个仅由最小项的析取构成的等值式，则该等值式称为原命题公式的主析取范式.定理6、任意含有n个命题变元的非永假式，其主析取范式是唯一的.定义7、在含有n个命题变元的质析取式中，若每个命题变元和它的否定不同时出现，但是两者之一必须出现且仅出现一次，且第i个命题变元或它的否定式出现在从左算起的第i位上（若命题变元无脚标，则按字典顺序排列），这样的质析取式成为最大项.例如，两个命题变元P和Q，其最大项为：每个最大项具有一个编码，当真值指派与该编码相同时，该最大项的真值为0，其余种指派其真值为1.

例如注

1）对于最小项的成真赋值是：变元为1，变元的否定为0.（2）定义最大项的成假赋值：变元0，变元的否定为1.定义8、对于给定的命题公式，如果有一个仅由最大项的合取构成的等值式，则该等值式称为原命题公式的主合取范式.定理7、任意含有n个命题变元的非重言式，其主合取范式是唯一的.定理8、（1）在真值表中，一个命题公式的真值为1的指派所对应的最小项的析取，就是此公式的主析取范式.（2）在真值表中，一个命题公式的真值为0的指派所对应的最大项的合取，就是此公式的主合取范式.例5、公式A的真值表如下，求主析取范式和主合取范式PQRAPQRA00011000001010110101110001111111例6、求公式的主析取范式解（赋值法）PQRP∧QP∧Q∨R0010101101101011101111111

（主析取范式），提问：该公式的主合取范式呢例7、求公式的主合取范式和主析取范式.定理9、任意命题公式都存在着与之等值的主析取范式和主合取范式.并且是唯一的.例8、用等值演算法求命题公式的主析取范式和主合取范式.例9、证明利用公式的主析取范式或主合取范式可以判断公式的类型（1）公式A为重言式当且仅当A的主析取范式含全部个最小项.（2）公式A为矛盾式当且仅当A的主合取范式含全部个最小项.（3）公式A为可满足式当且仅当A的主析取范式中至少含一个最小项.第四节、命题演算的推理规则定义1、设为重言式，则称B为前提集合的有效结论.关于定义1的两点说明：（1）如果公式是重言式，则

可记作（2）由前提推B推理记为—B,如果推理有效的，则记为=B,否则记为≠B.判断推理是否有效的方法：真值表法、等值演算法、主析取范式法.例1、判断下列推理是否有效如果他是理科学生，他必学好数学.如果他不是文科学生，他必是理科学生.他没有学好数学.所以他是文科学生.例2、判断下列推理是否正确（1）(2)表5-141、双重否定律：2、幂等律：A∨B＜＝＞B∨A

,A∧A＜＝＞A3、结合律:(A∨B)∨C＜＝＞A∨(B∨C),(A∧B)∧C＜＝＞A∧(B∧C)4、交换律：A∨B＜＝＞B∨A,A∧B＜＝＞B∧A.5、分配律：A∨(B∧C)＜＝＞（A∨B)∧(A∨C)A∧(B∨C)＜＝＞（A∧B)∨

(A∧C)6、吸收律：A∨(A∧B)＜＝＞A,A∧(A∨B)＜＝＞A

7、德·摩根律：¬（AvB)＜＝＞，¬（A∧B）8、同一律：Av0＜＝＞A,A∧0＜＝＞0.9、零律：A∨1＜＝＞1,A∧0＜＝＞0.10、互否律：A∨¬A＜＝＞1,A∧¬A＜＝＞0.11、蕴含等值式：.12、等价等值式：∧().13、假言易位律：＜＝＞

14、等价否定等值式：15、归谬论:表5-15化简律（1）(2)附加律3）

(4)假言推论5）合取引入：A,B＝＞A∧B在表5-15中每个蕴含重言式称为推理定律.而表5-14中的每个等值式都能产生两个推理定律.推理规则：（1）前提引入规则（简称P规则）:在证明的任何步骤上都可以引入前提析取三段论

6)假言三段论

7)拒取式

)8构造性二难

9)(10)（2）结论引入规则（简称T规则）在证明的任何步骤上所得到的结论都可以作为后继证明的前提.（3）置换规则：在证明的任何步骤上，命题公式中的子公式都可以用与之等值的公式置换.逻辑推理方法：1、直接方法：利用表5-14和表5-15及其P,T规则、置换规则来构造命题序列以证明,这种证明方法称为直接证法.例3、试证2、间接证法：（1）在推理中，经常遇到结论是蕴含式的情形，即具有如下形式的推理：因为

所有只要证明即可.这种将结论中的蕴含式的前件作为前提的证明方法称为附加前提证明法..简称CP规则.例4、证明例5、如果电影已经开演，则大门关着.如果他们八点钟以前到达，则大门开着.他们八点以前到达.所以电影没开演.说明这些语句构成一个正确推理.（2）归谬法（反证法）因为如果为矛盾式，则为重言式.即例6、试证明第五节谓词逻辑简介谓词逻辑中的著名三段论：凡人要死，苏格拉底是人，所以苏格拉底要死.这个推理是正确的，但是在命题逻辑中却无法得到证明.因为在命题逻辑中只能将推理中三个命题依次符号化为P,Q,R,则(P∧Q）R为上述推理，但P∧Q

R不是重言式.这说明命题逻辑具有局限性.在命题逻辑中，原子命题是不可分解的基本单位，而且不考虑命题之间的内在联系和数量关系，这就是命题逻辑有局限性的原因.因此，我们将原子命题再细分出个体词、谓词、量词，进一步揭示命题的内在联系和命题之间的逻辑关系.一、个体、谓词和量词1、个体词我们把研究对象中可以独立存在的具体的或抽象的客体称为个体词.例如：小刘，小张，中国，5，定义，马克思主义等都是个体词.表示具体或特定的客体的个体词称为个体常项，一般用小写字母a,b,c,…表示.表示抽象或泛指的个体词称为个体变项，常用x,y,z…表示.个体变项的取值范围称为个体域.将宇宙间一切事物组成的个体域称为全总个体域.2、谓词用来刻画个体词性质及个体词之间关系的词称为谓词.常用大写英文字母表示谓词.考虑下面的三个命题：（1）零是自然数（2）小刘与小陈是同学.（3）x在y与z之间.在上面例子中，零，小刘，小陈，x,y,z都是个体词，零，小刘，小陈是个体常项，而x,y,z是个体变元.“是自然数”是谓词，记作F,并用F(0)表示（1）中命题.“与是同学”是谓词，记作G,则（2）中的命题符号化为G（a,b）,.其中a:小刘，b：小陈.“在与之间”是谓词，记作H,则（3）中命题符号化为H(x,y,z).表示具体性质或关系的谓词称为谓词常项，表示抽象的或泛指的性质关系的谓词称为谓词变项.例如F(0),G(a,b),H(1,2,3)都是谓词常项，而A(x),B(x,y)H(x,y,z)等都是谓词变项，其中x,y,z是个体变元.在一个谓词中，个体变元的数目称作谓词的元数.如F(x)是一元谓词，H(x,y,a)是二元谓词，是n元谓词.我们把不带有个体变元的谓词称为0元谓词注意：0元谓词是命题.例1用谓词表达下列命题（1）赵子龙救出阿斗.（2）他是跳高或篮球运动员.3.量词我们把表示个体常项或个体变项之间数量关系的词称为谓词.量词分两种：（1）全称量词：定义日常生活中的“任意的”、“所有的”、“一切”、“凡是”、“每一个”、“都”等词称作全称量词，用符号“”表示.X表示个体域中所有x，而XF(x)表示个体域里所有个体都有性质F.（2）存在量词对于日常生活中的“存在”、“有些”、“至少有一个”等词称作存在量词，用符号“”表示，x表示个体域中至少有一个x,而XF(x)：表示个体域中至少有一个x具有性质F.例2、将下列命题符号化（1）没有不犯错误的人（2）有些人既聪明又美丽解首先考虑个体域D(a):人类的集合.设F（x）:x犯错误，G（x）:x聪明，H(X):X美丽.（1）在中除人外，无别的东西，所以“没有不犯错误的人”符号化为：（2）在中“有些人既聪明又美丽”符号化为：.（b）:全总个体域.在中除人外，还有万物，因此（1）、（2）符号化时，必须将人先分离出来.令M(x):x是人，在中（1）、（2）可重述如下：（1）对于宇宙间一切事物，如果事物是人，则他要犯错误.(2)在万物中，存在着既聪明又美丽的人，故（1）、（2）符号化分别为说明

1）如果没有明确个体域，在认为个体域是全总个体域.（2）在全总个体域中，要引进特性谓词.（3）对全称量词，特性谓词常作蕴含式的前件.（4）对存在量词，特性谓词常作合取项.二、谓词公式定义1（1）一个个体常项是原子谓词公式.（2）一个个体变元是原子谓词公式.（3）由n个个体变项和n元谓词P构成的命题函数也是一个谓词公式.定义2（1）一个原子谓词公式是一个谓词公式.（2）若A是谓词公式，则¬A也是谓词公式.（3）若A和B是谓词公式，则也是谓词公式.（4）若A是谓词公式，x是A中的个体变项，则也是谓词公式.（5）只有有限次地运用（1）、（2）、（3）、（4）所得到的符号串才是谓词公式.例如：F(a,b)、A(x)∧B(x)、、等都是谓词公式.定义3、在谓词公式中称x为指导变元，公式A称为量词.在辖域中，x的所有出现称为x在A中的约束出现，约束出现的变元称为约束变元.A中不是约束出现的其他变元称为自由出现.自由出现的变元称为自由变元.例3、指出下列公式的指导变元，辖域，约束变元和自由变元（1）（2）从例3中可以看出，在谓词公式中，有的个体变元既是约束变元又是自由变元，为了避免混淆，采用下面两个规则：（1）换名规则：将量词辖域中某个约束出现的个体变元及相应指导变元换成本辖域中未曾出现过的个体变元，其余不变.(2)代入规则：对自由变元进行代入，即对自由变元与原公式中所有变元符号不同的符号去代替，并且处处代替.例4、将下面公式化成与之等值的公式，使它不含有既是约束出现的又是自由出现的个体变项.三、谓词演算的等值式与蕴含式设个体域D是有限的，，则

消去量词等值式例如，

，A(x):x是男生，则既是

既是

在谓词公式中，当个体变项由确定的个体取代，命题变元用确定命题取代时，称作对谓词公式的解释（或赋值）.设解释1如下D={2,3}，f(2)=3,f(3)=2,F(2,2)=1,F(2,3)=0,F(3,2)=0,F(3,3)=1例5、试求下面公式在解释1下的真值（1）（2）本例题的结果说明量词的顺序不能随意颠倒，即量词是有序的.定义4、设A为一个谓词公式，若A在任何解释下，A的真值恒为真，则称A是永真式；若A的真值恒为假，则称A是永假式.定义5、设A,B是两个谓词公式，若是永真式，则称