Два целых числа и называются сравнимыми по модулю , если при делении на это число они дают одинаковые остатки. 3 страница

Проверка монотонности функции непосредственно по определению требует анализа таблицы функции и может оказаться достаточно трудоёмкой. Поэтому весьма полезной для установления монотонности является следующая теорема. Всякая булева формула, не содержащая отрицаний, представляет собой монотонную функцию отличную от константы; наоборот, для любой монотонной функции, отличной от 0 и 1, найдётся представляющая её булева формула без отрицаний.

Теорема 11.3. Всякая булева формула, не содержащая отрицаний, представляет собой монотонную функцию отличную от константы; наоборот, для любой монотонной функции, отличной от 0 и 1, найдётся представляющая её булева формула без отрицаний.

Из данной теоремы и того очевидного факта, что подстановка нескольких формул без отрицаний в формулу без отрицаний снова даёт формулу без отрицаний, вытекает следующая теорема.

Теорема 11.4. Множество всех монотонных функций является замкнутым классом.

Но поскольку всякая булева формула без отрицаний является суперпозицией дизъюнкций и конъюнкций, из данной теоремы непосредственно получаем следствие.

Следствие. Класс монотонных функций является замыканием системы функций .

1. Теоремы о функциональной полноте.

Теперь перейдём к рассмотрению основного вопроса, поставленного в рамках данной лекции: каковы необходимые и достаточные условия функциональной полноты для произвольной системы функций ? Вначале было сказано, что система полна, если конъюнкция, дизъюнкция и отрицание являются суперпозициями функций из системы . Поэтому будем искать свойства функций, позволяющие выразить через них булевы операции. Сначала сформулируем две леммы, позволяющие вывести соответствующие теоремы.

Лемма 1 (о немонотонных функциях). Если функция немонотонна, то подстановкой констант из неё можно получить отрицание.

Практически данная лемма является утверждением, противоположным теореме, обратной к теореме 11.3. Смысл её заключается в том, что для функции существует такая подстановка константы, что функция оставшейся одной переменной является отрицанием.

Лемма 2 (о нелинейных функциях). Если функция нелинейна, то с помощью подстановки констант и использования отрицаний из неё можно получить дизъюнкцию или конъюнкцию.

Иначе говоря, существует представление дизъюнкции и конъюнкции в виде суперпозиции констант, отрицаний и нелинейной функции .

Замечание. При традиционных обозначениях переменных в выражениях вида , где переменные расположены в естественном порядке индексов, эти индексы играют двоякую роль: они именуют переменные и нумеруют их места в функции. Эти роли следует различать.

Две указанные леммы позволяют получить все булевы операции с помощью немонотонных функций, нелинейных функций и констант. Это ещё не полнота в точном смысле слова, так как константы с самого начала предполагались данными. Однако такое предположение часто бывает оправданным в различных приложениях (прежде всего в синтезе логических схем). Поэтому есть смысл ввести ослабленное определение полноты.

Определение. Система функций называется функционально полной в слабом смысле, если любая логическая функция может быть представлена формулой над системой , то есть является суперпозицией констант и функций из системы .

Очевидно, что из обычной полноты системы следует её слабая полнота.

Теорема 11.5 (первая теорема о функциональной полноте). Для того, чтобы система функций была функционально полной в слабом смысле, необходимо и достаточно, чтобы она содержала хот бы одну немонотонную функцию и хотя бы одну нелинейную функцию.

Доказательство:

1) Необходимость. Классы монотонных и линейных функций замкнуты и содержат 0 и 1. Поэтому если не содержит немонотонных или нелинейных функций, то их нельзя получить с помощью суперпозиций функций из системы и констант.

2) Достаточность. Пусть содержит немонотонную и нелинейную функцию. Тогда по лемме 1 подстановкой констант из монотонной функции получаем отрицание, а затем по лемме 2 из нелинейной функции с помощью отрицаний и констант получаем дизъюнкцию и конъюнкцию.

Пример 5.

а) Система функционально полна в слабом смысле, так как операция нелинейна (как и конъюнкция), а операция (сложение по ) немонотонна.

б) В функционально полной системе единственная функция – штрих Шеффера – нелинейна и немонотонна.

Для формулировки необходимых и достаточных условий “cильной” полноты (в отличие от слабой) нужно ввести ряд определений, описывающих ещё три замкнутых класса функций.

Определение. Функция называется сохраняющей ноль, если выполняется и сохраняющей единицу, если выполняется .

Оба данных класса функций являются замкнутыми, что проверяется подстановкой констант в суперпозиции. Равным образом замкнутый класс образуют самодвойственные функции (такие, что ).

Теорема 11.6 (вторая – основная – теорема о функциональной полноте). Для того чтобы система функций была функционально полной (в сильном смысле), необходимо и достаточно, чтобы она содержала: 1) нелинейную функцию, 2) немонотонную функцию, 3) функцию, не являющуюся самодвойственной, 4) функцию, не сохраняющую ноль, 5) функцию, не сохраняющую единицу.

Лекция № 12. Язык логики предикатов.

1. Предикаты.

Определение.Предикатом называется функция , где произвольное множество, а определённое ранее двоичное множество .

Иначе говоря, местным предикатом, определённым на множестве называется двузначная функция от аргументов из произвольного множества . Множество называется предметной областью предиката, переменные - предметными переменными. В принципе, можно определить предикат как функцию , то есть допустить, что переменные принимают значения из различных множеств – в некоторых случаях это оказывается удобным.

Для любых и существует взаимно однозначное соответствие между местными отношениями и местными предикатами на множестве , определяемое следующим образом. Каждому местному отношению соответствует предикат такой, что тогда и только тогда, когда ; всякий предикат определяет отношение такое, что тогда и только тогда, когда . При этом задаёт область истинности предиката.

Всякой функции можно поставить в соответствие местный предикат такой, что тогда и только тогда, когда . Поскольку функция должна быть однозначной, то это соответствие требует, чтобы для любого выполнялось . Поэтому обратное соответствие (от предиката к функции) возможно только при выполнении указанного условия.

В дальнейшем, в случаях, не вызывающих разночтения, будем употреблять одинаковые обозначения для предикатов и соответствующих им отношений. При этом, помимо функциональных обозначений вида , для двухместных предикатов будем пользоваться обозначениями вида , которые употреблялись ранее для бинарных отношений.

Пример 1.

а) Предикат является двухместным предикатом, предметной областью которого могут служить любые множества действительных чисел. Высказывание истинно, а высказывание ложно. Если вместо одной из переменных подставить число, то получится одноместный предикат: и так далее.

б) Великая теорема Ферма (до сих пор не доказанная) утверждает, что для любого натурального числа не существует натуральных чисел , которые удовлетворяли бы равенству . Этому равенству можно поставить в соответствие предикат , истинный тогда и только тогда, когда оно выполняется.

в) В описаниях вычислительных процедур и, в частности, в языках программирования, часто встречаются указания типа “повторять цикл до тех пор, пока переменные и не станут равными или прекратить вычисление цикла после ста повторений”. Если обозначить через счётчик повторений, то описанное здесь условие примет вид , а само указание в целом описывается выражением: “повторять, если ”.

1. Кванторы.

Пусть предикат, определённый на множестве . Высказывание “для всех истинно” обозначается или . Здесь множество входит в обозначение, но когда оно ясно из контекста пишут просто . Знак называется квантором общности.

Высказывание “существует такое значение , что истинно” обозначается или . Знак называется квантором существования. Переход от предиката к выражениям вида или называется связыванием переменной , а также навешиванием квантора на переменную (или на предикат ). Переменная, на которую навешен квантор, называется связанной, несвязанная переменная называется свободной.

Смысл связанных и свободных переменных в предикатах принципиально различен. Свободная переменная – это обычная переменная, которая может принимать различные значения из множества ; выражение - переменное высказывание, зависящее от значения . Выражение не зависит от переменной и имеет вполне определённое значение. Это, в частности, означает, что переименование связанной переменной, то есть переход от выражения к выражению и наоборот не меняет истинности выражения. Переменные, являющиеся, по существу, связанными, встречаются не только в логике. Например, в выражениях или переменная связана: при фиксированной функции первое выражение равно определенному числу, а второе становится функцией от пределов интегрирования.

Навешивать кванторы можно и на многоместные предикаты и вообще на любые логические выражения, которые при этом заключаются в скобки. Выражение, на которое навешивается квантор или называется областью действия квантора. Все вхождения переменной в это выражение являются связанными. Навешивание квантора на многоместный предикат уменьшает в нём количество свободных переменных и превращает его в предикат от меньшего числа переменных.

Пример 2.

а) Пусть предикат “ чётное число”. Тогда высказывание истинно на любом множестве чётных чисел и ложно, если множество содержит хотя бы одно нечётное число. Высказывание истинно на любом множестве, содержащем хотя бы одно чётное число и ложно на любом множестве нечётных чисел.

б) Рассмотрим двухместный предикат на множествах с отношением нестрогого порядка. Предикат есть одноместный предикат от переменной . Если множество неотрицательных чисел, то этот предикат истинен в единственной точке . Предикат (можно записать ) высказывание истинное на множестве, состоящем из одного элемента и ложное на всяком другом множестве. Высказывание утверждает, что в множестве имеется максимальный элемент (для любого существует такой , что ). Оно истинно на любом конечном множестве целых чисел. Высказывание утверждает, что для любого элемента имеется элемент , не меньший его. Оно истинно на любом непустом множестве ввиду рефлексивности отношения . Последние два высказывания говорят о том, что перестановка кванторов меняет смысл высказывания и условие его истинности.

1. Истинные формулы и эквивалентные соотношения.

При логической (истинностной) интерпретации формул логики возможны три основные ситуации.

1. Если в области для формулы существует такая подстановка констант вместо всех переменных, что становится истинным высказыванием, то эта формула называется выполнимой в области . Если существует область , в которой формула выполнима, то формула называется просто выполнимой. Пример выполнимой формулы - .

2. Если формула выполнима в области при любых подстановках констант, то она называется тождественно истинной в области . Формула, тождественно истинная в любых множествах называется просто тождественно истинной, или общезначимой, или тавтологией. Например, формула тождественна для всех множеств, состоящих из одного элемента, а формула является тавтологией.

3. Если формула невыполнима в области при любых подстановках констант, то она называется тождественно ложной в области . Формула, тождественно ложная в любых множествах называется просто тождественно ложной или противоречивой. Формула является противоречивой.

Определение. Формулы называются эквивалентными, если при любых подстановках одинаковых констант они принимают одинаковые значения. В частности, все тождественно истинные (и все тождественно ложные) формулы являются эквивалентными.

Отметим, что если формулы и эквивалентны в соответствии с этим определением, то формула является тождественно истинной.

Замечание. Исследование формул логики предикатов имеет огромное значение потому, что эти формулы входят практически в любую формальную теорию. В связи с этим возникают две проблемы: получение истинных формул и проверка имеющихся формул на истинность. Поскольку предикатные переменные имеют, в общем случае, бесконечное множество значений, то установить истинность формул простым перебором значений на всех наборах переменных, как это иногда делалось для логических функций, просто невозможно. В связи с этим, приходится использовать различные косвенные приёмы.

Пример 3. Рассмотрим соотношение . Пусть для некоторого предиката и области левая часть истинна. Тогда не существует такого , для которого истинно. Следовательно, для любых значений ложно, то есть и правая часть истинна. Если же левая часть ложна, то всегда существует , для которого истинно и, следовательно, правая часть ложна.

Аналогично доказывается истинность соотношения

Большое значение имеют следующие свойства, которые могут быть доказаны способом, рассмотренным в примере 3.

1) Дистрибутивность квантора относительно конъюнкции:

.

2) Дистрибутивность квантора относительно дизъюнкции:

.

Если же кванторы и поменять местами, то получатся соотношения, верные только в одну сторону:

3) ,

4) .

В таких случаях говорят, что левая часть является более сильным утверждением, чем правая, поскольку она требует для своего выполнения более жёстких условий. Так, например, в соотношении 3 в левой части требуется, чтобы оба предиката были истинны для одного и того же значения , тогда как в правой части они могут быть истинны при различных значениях переменной. Пример случая, когда соотношения 3 и 4 в обратную сторону неверны: “ чётное число”, “ нечётное число”.

Пусть некоторое переменное выражение, не содержащее переменной . Тогда выполняются соотношения:

5) .

6) .

7) .

8) .

Эти соотношения означают, что формулу, не содержащую переменной , можно выносить за область действия квантора, связывающего эту переменную.

1. Доказательства в логике предикатов.

Метод доказательства формул, содержащих переменные, путём непосредственной подстановки в них констант называется методом интерпретаций или методом моделей. Подстановка констант позволяет интерпретировать формулу как осмысленное утверждение об элементах конкретного множества. Поэтому такой метод, выясняющий истинность формулы путём обращения к её возможному смыслу называется семантическим (смысловым). Метод интерпретаций удобен для доказательства выполнимости формул или их неэквивалентности, поскольку и в том, и в другом случае достаточно найти одну подходящую подстановку. Он удобен также для исследования истинности формул на конечных областях. Дело в том, что если область конечна, то кванторы переходят в конечные формулы логики высказываний: