1.6 Логические связки

Мы уже видели связки c нулевой арностью: логическое константы 0 (ложь) и 1 (истина).

Двойной соединитель равенства между логическими выражениями пишется ⇔ и назвается эквивалентностью: A ⇔ B читается как «A эквивалентно B».

Вот наиболее полезные связки в порядке арности n > 0 по своим свойствам для всех значений логических переменных (заменяемых формулами A, B, C).

Отрицание

отрицание ¬ обменивает булевы выражения (¬A читается «не A»):
¬1
¬0
¬(¬A)
⇔ 0
⇔ 1
⇔ A

Обозначается также корнем из аргумента (формируя другой символ в том же формате)):
x ≠ y
x ∉ E
(A ⇎ B)
(A ⇎ B)
⇔ ¬(x=y)
⇔ ¬(x ∈ E)
⇔ ¬(A ⇔ B)
⇔ (A ⇔ ¬B))
(x отличается y)
(x не принадлежит к E)
(Неэквивалентность)

Конъюкция, дизъюнкции

Соединение ∧ означает «и», будучи истинным только тогда, когда оба аргумента являются истинными;

Дизъюнкция ∨ означает «или», будучи истинным всегда, за исключением, когда оба аргумента являются ложными.

Каждый из них может быть:
Идемпотентным
(A ∧ A) ⇔ A
(A ∨ A) ⇔ A
Коммутативным
(B ∧ A) ⇔ (A ∧ B)
(B ∨ A) ⇔ (A ∨ B)
Ассоциативным
((A ∧ B) ∧ C) ⇔ (A ∧ (B ∧ C))
((A ∨ B) ∨ C) ⇔ (A ∨ (B ∨ C))
Дистрибутивным
(A ∧ (B ∨ C)) ⇔ ((A ∧ B) ∨ (A ∧ C))
(A ∨ (B ∧ C)) ⇔ ((A ∨ B) ∧ (A ∨ C))

Симметрия между ними происходит от того, что они обмениваются отрицаниями:

(A ∨ B) ⇎ (¬A ∧ ¬B)
(A ∧ B) ⇎ (¬A ∨ ¬B)

Строки союзов, таких как (A ∧ B ∧ C), сокращают любую формулу с большим количеством скобок, например, ((A ∧ B) ∧ C), которые эквивалентны друг другу, благодаря ассоциативности; и схожи строки дизъюнкций такие как (A ∨ B ∨ C).

Утверждение конъюнкции формул составляет все эти формулы.

Его отрицание A ⇎ B можно также прочитать как отрицание аргумента (A ⇎ B), либо как «исключающее или» ((A ∨ B) ∧ ¬(A ∧ B)).

Импликация

Бинарный соединитель импликаци ⇒ определяется как (A ⇒ B) ⇔ ((¬A) ∨ B). Это можно прочитать как «из A следует B», «A является достаточным условием для B», или «B является необходимым условием для A». Это верно всегда, за исключением когда A - ложь, так как из-за лжи не может вытекать правда.

К тому же,
(A ⇒ B) ⇎
(A ⇒ B) ⇔
(A ∧ ¬B)
(¬B ⇒ ¬A)

Формула ¬B ⇒ ¬A называется контрапозитивной из A ⇒ B, и эквивалентна ей.

Эквивалентность также может быть рассмотрена, как

(A ⇔ B) ⇔ ((A ⇒ B) ∧ (B ⇒ A)).

⇔ (эквивалент), равенство логических значений: (A ⇔ B) ⇔ ((A ⇒ B) ∧ (B ⇒ A)).

Доказательство, что A ⇔ B может быть получено из импликации (A ⇒ B), то другой (B ⇒ A), называется его обратным.

Формула (A ∧ (A ⇒ B)) будет сокращенна как A ∴ B, которая означает «из A следует В». Это эквивалентно (A ∧ B), но с указанием, что она выведена из истин A и (A ⇒ B).

Это превращает свойства ассоциативности и дистрибутивности в различные формулы:

(A ⇒ (B ⇒ C)) ⇔ ((A ∧ B) ⇒ C)
(A ⇒ (B ∨ C)) ⇔ ((A ⇒ B) ∨ C)
(A ⇒ (B ∧ C)) ⇔ ((A ⇒ B) ∧ (A ⇒ C))
((A ∨ B) ⇒ C) ⇔ ((A ⇒ C) ∧ (B ⇒ C))
((A ⇒ B) ⇒ C) ⇔ ((A ∨ C) ∧ (B ⇒ C))
(A ∧ (B ⇒ C)) ⇔ ((A ⇒ B) ⇒ (A ∧ C))

Наконец,

((A ⇒ B) ∧ (A∧C)) ⇒ (B∧C)
((A ⇒ B) ∧ (A∨C)) ⇒ (B∨C)

Последовательности импликаций и эквивалентностей

В различных видах аббревиатур, любая строка формул связанная с помощью ⇔ и / или ⇒ будет означать конъюнкцию всех этих импликаций и эквивалентностей между соседними формулам:

(A ⇒ B ⇒ C) ⇔ ((A ⇒ B) ∧ (B ⇒ C)) ⇒ (A ⇒ C)
(A ⇔ B ⇔ C) ⇔ ((A ⇔ B) ∧ (B ⇔ C)) ⇒ (A ⇔ C)
0 ⇒ A ⇒ A ⇒ 1
(¬A) ⇔ (A ⇒ 0) ⇔ (A ⇔ 0)
(A ∧ 1) ⇔ A ⇔ (A ∨ 0) ⇔ (1 ⇒ A) ⇔ (A ⇔ 1)
(A ∧ B) ⇒ A ⇒ (A ∨ B)

Аксиомы равенства

Для любого функтора T и объектов x, y (что может символизировать элементы с параметрами)
x = y ⇒
x = y ⇒
x = x
T(x) = T(y)
(A(x) ⇔ A(y))

Последняя формула может быть записана: (A(x) ∧ x = y) ⇒ A(y), так как обратное A(y) ⇒ A(x) может быть выведено либо из контрапозиции (замена ¬A) или из симметрии равенства (x = y ⇒ y = x) , полученные путем использования в качестве A(z) формулы (z = x).

Это также верно для всех x, y, z, (x = y ∧ y = z) ⇒ x = z. Формула (x = y ∧ y = z) будет сокращена как x = y = z.

Вероятность

Будем говорить, что A доказуема в T и будем писать T⊢ A, если существует доказательство A в T.

Опять же, опровержение формулы A в T является доказательством ¬A. Если существует (T⊢ ¬A), формула называется опровержимой (в T).

Формула называется неразрешимой (в T), если она не является ни доказуемой, ни опровергнутой.

Если формула доказуема и опровержима одновременно, это означает, что теория противоречива:

(A ∧ ¬A) ⇔ 0
((T⊢ A)∧(T⊢ ¬A))⇔(T⊢ 0).

Теория T называется противоречивой, если T ⊢ 0, в противном - совместной. В противоречивой теории, каждая формула доказуема. Такая теория не имеет модели.

Доказательства, как правило, последовательность формул, каждая которая истинна благодаря предыдущей и благодаря свойствам связок и равенства. Могут появиться новые соединения в языке особенно при работе с кванторами (см. 1.9) и вводя символы определенные выражениями.

В частности, равенство между элементами x = y позволяет заменить любое вхождение х на у в любом выражении, не влияя на результат; когда символы, определеные элементами, равны, они могут быть заменены друг с другом в любом выражении. Аксиомы и другие правила, выраженные символами переменных, могут использовать вместо этих переменных элементы.

Доказуемые формулы с известным доказательством могут быть по-разному называны в обычном языке в зависимости от степени их важности: теорема является важнее, чем утверждение; любое из них может быть выведено из не менее важной леммы, и из этого может легко выводиться следствие.