推导与希尔伯特系统

一个推导系统(Deductive System)由一组称为公理(Axioms)的公式和一组推导规则(Rules of Inference)构成。

在推导系统中,一个证明(Proof)由一个公式序列构成:

(1)S={A1,⋯,An}

其中,每一个公式Ai要么是公理,要么是由前面公式Aj1,⋯,Ajk (j1<⋯<jk<i)根据规则推导出来的公式。

序列里的最后一个公式An称为定理(Theorem), 序列S称为An的一个证明(Proof). 称An是可证明的(Provable),表示成⊢An.

如果⊢A, 那么A可当作公理一样用于其它定理的证明。

希尔伯特系统是最早的推导系统之一。

希尔伯特系统(H)

公理 1: ⊢(A→(B→A))

公理 2: ⊢(A→(B→C))→((A→B)→(A→C))

公理 3: ⊢(¬B→¬A)→(A→B)

假言推理(Modus Ponens): ⊢A⊢A→B⊢B.

由三个公理和一个推导规则构成。

Theorem ⊢A→A

Proof.

(2)1.⊢(A→((A→A)→A))→((A→(A→A))→(A→A))A22.⊢A→((A→A)→A)A13.⊢(A→(A→A))→(A→A)MP,1,24.⊢A→(A→A)A15.⊢A→AMP,3,4

在基本的H系统中,也可以派生出其它规则。

如前提引入规则(Assumption and Deduction):

U∪{A}⊢BU⊢A→B

下面借助前提引入规则,证明定理:

(3)⊢(A→B)→[(B→C)→(A→C)]

证明:

(4)1.{A→B,B→C,A}⊢AAssumption2.{A→B,B→C,A}⊢A→BAssumption3.{A→B,B→C,A}⊢BMP,1,24.{A→B,B→C,A}⊢B→CAssumption5.{A→B,B→C,A}⊢CMP,3,46.{A→B,B→C}⊢A→CDeduction,57.{A→B}⊢[(B→C)→(A→C)]Deduction,68.⊢(A→B)→[(B→C)→(A→C)]Deduction,7

定理:⊢[A→(B→C)]→[B→(A→C)].

证明:

(5)1.A→(B→C),B,A⊢AAssumption2.A→(B→C),B,A⊢A→(B→C)Assumption3.A→(B→C),B,A⊢B→CMP,1,24.A→(B→C),B,A⊢BAssumption5.A→(B→C),B,A⊢CMP,3,46.A→(B→C),B⊢A→CDeduction,57.A→(B→C)⊢B→(A→C)Deduction,68.⊢[A→(B→C)]→[B→(A→C)]Deduction,7

定理: ⊢¬A→(A→B).

证明:

(6)1.¬A⊢¬A→(¬B→¬A)A12.¬A⊢¬AAssumption3.¬A⊢¬B→¬AMP,1,24.¬A⊢(¬B→¬A)→(A→B)A35.¬A⊢A→BMP,3,46.⊢¬A→(A→B)Deduction,5

逆否规则(Contrapositive): U⊢¬B→¬AU⊢A→B

定理: ⊢¬¬A→A.

(7)1.¬¬A⊢¬¬A→(¬¬¬¬A→¬¬A)A12.¬¬A⊢¬¬AAssumption3.¬¬A⊢¬¬¬¬A→¬¬AMP,1,24.¬¬A⊢¬A→¬¬¬AContrapositive,35.¬¬A⊢¬¬A→AContrapositive,46.¬¬A⊢AMP,2,57.⊢¬¬A→ADeduction,6

定理: ⊢A→¬¬A.

证明:

(8)1.⊢¬¬¬A→¬AProved2.⊢A→¬¬AContrapositive,1

传递规则(Transitivity): U⊢A→BU⊢B→CU⊢A→C

定理: ⊢(A→B)→(¬B→¬A).

证明:

(9)1.A→B⊢A→BAssumption2.A→B⊢¬¬A→AProved3.A→B⊢¬¬A→BTransitivity,2,14.A→B⊢B→¬¬BProved5.A→B⊢¬¬A→¬¬BTransitivity,3,46.A→B⊢¬B→¬AContrapositive,57.⊢(A→B)→(¬B→¬A)Deduction,6

前提交换规则(Exchange of Antecedent): U⊢A→(B→C)U⊢B→(A→C)

定理:⊢A→(¬A→B).

证明:

(10)1.⊢¬A→(A→B)Proved2.⊢A→(¬A→B)Exchange,1

否定之否定规则(Double Negation):

(11)U⊢¬¬AU⊢A

反证规则(Reductio Ad Absurdum):

(12)U⊢¬A→falseU⊢A

定理: ⊢(A→¬A)→¬A.

(13)1.A→¬A,¬¬A⊢¬¬AAssumption2.A→¬A,¬¬A⊢ADoubleNegation,13.A→¬A,¬¬A⊢A→¬AAssumption4.A→¬A,¬¬A⊢¬AMP,2,35.A→¬A,¬¬A⊢A→(¬A→false)Proved6.A→¬A,¬¬A⊢¬A→falseMP,2,57.A→¬A,¬¬A⊢falseMP,4,68.A→¬A⊢¬¬A→falseDeduction,79.A→¬A⊢¬AReductioadabsurdum,810.⊢(A→¬A)→¬ADeduction,9

希尔伯特系统的变种:

Axiom 1

Axiom 2

Axiom 3′

Axiom3′⊢(¬B→¬A)→((¬B→A)→B).

(14)1.¬B→¬A,¬B→A,¬B⊢¬BAssumption2.¬B→¬A,¬B→A,¬B⊢¬B→AAssumption3.¬B→¬A,¬B→A,¬B⊢AMP,1,24.¬B→¬A,¬B→A,¬B⊢¬B→¬AAssumption5.¬B→¬A,¬B→A,¬B⊢A→BContrapositive,46.¬B→¬A,¬B→A,¬B⊢BMP,3,57.¬B→¬A,¬B→A⊢¬B→BDeduction,78.¬B→¬A,¬B→A⊢(¬B→B)→BProved9.¬B→¬A,¬B→A⊢BMP,8,910.¬B→¬A⊢(¬B→A)→BDeduction,911.⊢(¬B→¬A)→((¬B→A)→B)Deduction,10

不一定是三个公理,以下是四个公理的推导系统:

(15)Axiom1⊢A∨A→AAxiom2⊢A→A∨BAxiom3⊢A∨B→B∨AAxiom4⊢(B→C)→(A∨B→A∨C)

梅瑞狄斯定理(Meredith's Axiom):

(15)⊢({[(A→B)→(¬C→¬D)]→C}→E)→[(E→A)→(D→A)]