Металогічні принципи аксіоматичного числення логіки предикатів

Металогічні принципи у S⁵ описують основні властивос­ті процесу логічного виведення.

До металогічних принципів у S⁵ відносять:

а) несуперечливість;

б) незалежність;

в) повноту.

а) Несуперечливість аксіом

Введемо поняття інтерпретованої та неінтерпретованої системи.

Під інтерпретованістю формальної системи розумі­ють наявність області предметів, із яких можна склада­ти множини і визначати на них предикати так, щоб за допомогою цих множин і предикатів можна було б знахо­дити інтерпретації для досліджуваної системи аксіом.

Якщо це неможливо здійснити, то формальна сис­тема вважається неінтерпретованою.

Дамо визначення несуперечливості: «Система аксіом називається змістовно несуперечливою або інтерпре­тованою, якщо для неї існує інтерпретація».

У протилежному випадку система аксіом називається змістовно суперечливою або неінтерпретованою.

Можна дати і таке визначення несуперечливості : «Си­стема аксіом називається несуперечливою, якщо із неї неможливо вивести одночасно істинність і хибність одного й того ж твердження». Несуперечливість у цьо­му смислі називають «внутрішньою».

Якщо порівнювати змістовну і внутрішню несуперечли­вість, то стає очевидним, що коли область теоретико- множинних понять, із якої ми беремо інтерпретацію для системи аксіом, є внутрішньо несуперечлива, то і сама си­стема аксіом буде внутрішньо несуперечливою.

Отже, наявність інтерпретації системи аксіом зводить пи­тання про несуперечливість цієї системи до несуперечливості системи понять, що використовуються в цій інтерпретації. Тобто, якщо ми впевнені, що ця система понять внутрішньо несуперечлива, то факт наявності інтерпретації встановлює внутрішню несуперечливість досліджуваної системи аксіом.

б) Незалежність аксіом

Так само, як несуперечливість має два визначення, не­залежність також представлена двома дефініціями.

Для цього візьмемо довільну систему аксіом і стосовно неї дамо визначення зовнішньої незалежності.

Отже, маємо систему аксіом: А₁, А₂,..., А_п1.

Тоді: «Аксіома A_i називається незалежною від решти аксіом цієї системи, якщо існує область М з предика­тами Fγ, яка задовольняє систему аксіом А₁,..., А^₁, А_і+1,...,А_п, але не задовольняє систему (І)».

Внутрішню незалежність визначають так: «Аксіома А_і внутрішньо незалежна від решти аксіом, якщо вона не може бути виведеною із інших аксіом системи».

Порівняємо ці дефініції.

Припустимо, що аксіома А, незалежна від решти аксіом у першому розумінні. У такому випадку для системи аксі­ом

існує інтерпретація, яка не задовольняє системі аксіом (ІІ) разом з аксіомою А^ Це означає, що формула А_і не може бути логічно виведена із решти аксіом. Якщо б вона була вивідною, то цей висновок був би справедливим для будь- якої інтерпретації.

Тобто, для будь-якої області з будь-якими предикатами із істинності аксіом (ІІ) випливала б аксіома А_і Але за нашим припущенням у тій інтерпретації, де істинні аксі­оми (ІІ) аксіома Аі — хибна. Звідси випливає висновок про те, що якщо яка-небудь аксіома незалежна в першо­му смислі, то вона повинна бути незалежною і в друго­му смислі.

Введемо дефініцію залежної аксіоми:

«Аксіома Аі залежна від решти аксіом А₁,...,А_І_₁, А₊₁,..., А_п, якщо будь-яка інтерпретація цієї системи задовольняє також і системі з аксіомою А_і ».

Поняття несуперечливості і незалежності системи аксі­ом мають велике значення для теорій з високим ступенем абстрактності. Насамперед це стосується математичних теорій.

Якщо ми користуємося певною системою аксіом, то критерієм її надійності виступають саме несуперечливість і незалежність.

До внутрішньої незалежності звертаються в тому випад­ку, коли потрібно вилучити із системи зайві аксіоми.

В історії методології науки відомі факти застосування принципу незалежності. Досить відомою є ситуація з

п’ятим постулатом геометрії Евкліда, або з «аксіомою про паралельність».

Розв’язання ситуації з п’ятим постулатом протягом ба­гатьох віків йшло у руслі виведення його із інших прин­ципів геометрії Евкліда. Всі спроби на цьому шляху були безрезультатними. І лише Лобачевському вдалося знайти вірний вихід із даної ситуації. Він висловив думку про не­залежність п’ятого постулату і обгрунтував її. Ним була побудована така система об’єктів, яка задовольняла кожну аксіому геометрії, але не задовольняла аксіому про пара­лельність.

Отже, металогічні принципи, окрім суто спеціального змісту, важливого для побудови аксіоматичного числення логіки предикатів, мають ще й загальнометодологічний зміст.

в) Принцип повноти

Повнота в численні предикатів розглядається у двох аспектах:

1) повнота у вузькому смисі;

2) повнота у широкому смислі.

Питання про повноту аксіоматичного числення преди­катів у вузькому смислі вирішується негативно.

Дамо дефініцію повноти у вузькому смислі:

«Логічна система називається повною у вузькому смислі, якщо не можна без суперечності приєднати до її аксіом, у якості нової аксіоми, ніяку не вивідну в ній формулу так, щоб отримана при цьому система була несуперечливою».

Якщо аксіоматичне числення висловлювань повне у ву­зькому смислі, то цього не можна сказати про аксіоматич­не числення предикатів.

Коли прєднати до системи аксіом S⁵ формулу, яка не доказується в ній, то суперечності не отримаємо.

Для прикладу такою формулою є вираз:

Зх Р(х) ⊃ Ух Р(х) — (І).

Здійснимо доведення принципу повноти у вузькому смислі.

Це доведення базується на основі відповідності формул числення предикатів формулам числення висловлювань.

Тобто, вивідним формулам числення предикатів відповіда­ють відповідні формули числення висловлювань^[XLIII].

Формулі (І) у численні висловлювань відповідає форму­ла р ⊃ р, яка є вивідною у численні висловлювань.

Отже, формула (І) може бути приєднаною до аксіом чи­слення предикатів.

На перший погляд може здатися дивним, що таку, явно невірну, формулу можна без суперечності приєднати до ак­сіом числення предикатів. Щоб пояснити цю ситуацію скористаємося зверненням до змістовного смислу логіки предикатів.

Відомо, що із загальних логічних аксіом нічого не ви­пливає відносно того, які саме предмети і скільки існує в тій області М, до якої відносяться наші висловлювання і предикати. Тобто, із загальних логічних положень немож­ливо зробити висновок, що область М містить більше як один елемент.

Якщо ж область М містить тільки один елемент, то фо­рмула (І) є для неї істинною. До речі, коли ми обгрунтову­вали несуперечливість аксіом, то застосовували інтерпре­тацію формул на предметній області із одного елемента.

Щоб довести, що числення предикатів неповне у ву­зькому смислі, необхідно показати, що формула (І) не є вивідною із аксіом числення предикатів.

З точки зору змісту це очевидно. Адже із загальної іс­тинності формули (І) випливала б неможливість існування в області М більше як одного елемента. І якщо із загальноло- гічних положень не можна довести існування більше ніж одного предмета, то існування тільки одного предмета та­кож довести неможливо.

Однак, можна побудувати досить суворе доведення того, що формула (І) не може бути формально виведена із аксіом числення предикатів. Центральна ідея цього доведення по­лягає у тому, що для інтерпретації формул числення пре­дикатів береться предметна область М, яка складається лише із двох елементів (наприклад, а і в).

Тепер поставимо у відповідність кожній формулі чис­лення предикатів таку формулу А*, в якій операція зв’язування квантором замінюється таким чином:

Формулу числення предикатів, яка не утримує ква­нторів, називають правильною, якщо при будь-яких за­мінах вільних змінних предметами а і в вона є вивідною формулою числення висловлювань.

Покажемо, що для кожної вивідної формули А в чис­ленні предикатів відповідна їй формула А* є вивідною в численні висловлювань.

Для аксіом 1—11 це можна перевірити безпосередньо. Аксіоми 1—11 не містять ні змінних, ні кванторів, тому відповідними їм формулами є вони самі, тобто вивідні фо­рмули числення висловлювань.

Розглянемо аксіому 12:

Замінимо засновок кон’юнкцією:

Ця формула правильна, оскільки вона стає вивідною формулою числення висловлювань при заміні змінної у предметами а і в.

Таким же способом можна переконатися, що і аксіомі 13 ставиться у відповідність правильна формула.

Тепер покажемо, що правила отримання вивідних фор­мул числення предикатів для відповідних формул без ква­нторів переходять у правила, завдяки яким із правильних формул отримуються правильні формули числення преди­катів.

Візьмемо для прикладу правило зв’язування кван­тором.

Припустимо, що формуладе А — не утримує

змінної х, вивідна, а відповідна їй формула є правильною формулою числення предикатів. Ця формула має вигляд:

де А* і В* — формули, які відповідають А і В.

Так як формула (ІІ) за припущенням правильна, то фо­рмули:

теж правильні.

Але тоді слід визнати правильною формулу

а це і є формула, що відповідає формулі

Якщо провести доведення для всіх правил числення предикатів, то стає очевидно, що кожній вивідній формулі числення предикатів відповідає правильна формула.

Розглянемо тепер формулу, яка відповідає формулі (І).

Так як формула (І) не має вільних змінних, то формула (ІІІ), якщо вона правильна, повинна бути вивідною форму­лою числення висловлювань.

Відомо, що будь-яка вивідна формула в численні преди­катів буде тотожно-істинною. Звідси випливає питання: чи буде будь-яка тотожно-істинна формула вивідною в чи­сленні предикатів ?

У такій постановці це питання носить назву проблеми повноти у широкому смислі. При розв’язанні проблеми повноти числення предикатів у широкому смислі не можна обмежуватися лише засобами міркування фінітної метало­гіки. Справа в тому, що в саму постановку проблеми вхо­дить поняття «тотожно-істинної формули», яке включає в себе розгляд усіх інтерпретацій.

Врахуємо ще одну обставину технічного порядку. Йдеться про співвідношення дедуктивної еквівалентності^[XLIV] і тотожної істинності формул.

Із дедуктивної еквівалентності випливає така залеж­ність: «якщо дві формули дедуктивно еквівалентні, то

Отже, проблема повноти числення предикатів у широ­кому смислі розв’язується позитивно.

Розглядом металогічних принципів завершується зна­йомство із побудовою аксіоматичного числення преди­катів.

4.