离散数学1:数理逻辑

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离散数学1:数理逻辑

2024-07-02 15:19| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 逻辑的基本成分——命题。将命题形式化逻辑联结词命题公式 对命题公式的分析公式的层次真值表等值演算范式简单析取式、简单合取式析取范式、合取范式主析取范式主合取范式主析取、合取范式的总结

逻辑规则给出数学语句的准确含义。

逻辑的基本成分——命题。

命题是一个非真即假的陈述句。命题的判断结果称作命题的真值,真值只有两种值:真、假。任何命题的真值都是唯一的。(真值不唯一的命题变元不是命题。)

简单命题(原子命题):不能再被分解的命题复合命题:由简单命题通过联结词联结而成的命题

注意:简单命题一定是肯定语气。

简单命题又称为命题常元。而命题变元不能确定真值,不属于命题。

判断是否是命题的方法:先判断是否为陈述句,再判断是否有唯一的真值。 注意:只需判断是否有唯一解即可,具体是真还是假并不重要。

x > y (x,y是任意的两个数) 不是命题, 是命题变元。由于x与y的不确定性, 使得该陈述句的真值不惟一。明年今天是晴天 是命题。尽管不知道真假,但可以确定的是 该语句只有一种真值。我正在说假话 该语句属于悖论,不是命题。

像这样由真能推出假、又由假能推出真,从而既不能为真,也不能为假的陈述句称作悖论。

将命题形式化 自然语言 半形式化 形式语言

符号化时,p、q应设为简单命题(肯定句)。

逻辑联结词

注意:逻辑联结词表示的是命题与命题之间的关系。 整体上形成的是一个新的复合命题,给定每个原子命题的真值,那么该复合命题的真值随之确定。

p的否定式(p不成立)—— ¬ p \neg p ¬pp与q的合取式(p、q同时成立)—— p ∧ q p\land q p∧q

使用联结词 ∧ \land ∧需要注意两点: 其一是 ∧ \land ∧的灵活性。自然语言中的“既…又…”、“不但…而且…”、“虽然…但是…”等表示的都是两件事同时成立。因此都应该符号化为 ∧ \land ∧ 其二,不要见到“与”、“和”就使用 ∧ \land ∧

小王和小李都是三好学生——可以符号化为 ∧ \land ∧小王和小李是同学——不可以以符号化为 ∧ \land ∧ 该句中“小王和小李”整体是该命题的主语,因此仍是简单陈述句,属于一个原子命题

即:注意分清联结词“并且、和、与”联结的是句子成分,还是两个独立的句子,从而分清简单命题与复合命题。

p与q的析取式(p、q至少有一个成立)—— p ∨ q p \vee q p∨q

析取联结词 ∨ \vee ∨与自然语言中的“或”不完全一样。自然语言中的“或”具有二义性,它有时具有相容性(即它联结的两个命题可以同时为真),有时又具有排斥性(只有当一个为真、一个为假时才为真),分别称之为“相容或”、“排斥或”。 “相容或”应符号化为 p ∨ q p\vee q p∨q,“排斥或”应符号化为 ( p ∧ ¬ q ) ∨ ( ¬ p ∧ q ) (p\land \neg q)\vee(\neg p \land q) (p∧¬q)∨(¬p∧q),也可符号化为 ( p ∨ q ) ∧ ¬ ( p ∧ q ) (p\vee q)\land \neg( p \land q) (p∨q)∧¬(p∧q)(“排斥或”即“异或 ⨁ \bigoplus ⨁”)

小明爱唱歌或爱听音乐 属于“相容或”,因此符号化为 p ∨ q p\vee q p∨q小明只能挑选202或203房间 属于“排斥或”,因此符号化为 ( p ∧ ¬ q ) ∨ ( ¬ p ∧ q ) (p\land \neg q)\vee(\neg p \land q) (p∧¬q)∨(¬p∧q)

“相容或” p ∨ q p\vee q p∨q与“排斥或” ( p ∧ ¬ q ) ∨ ( ¬ p ∧ q ) (p\land \neg q)\vee(\neg p \land q) (p∧¬q)∨(¬p∧q)的区别在于:当p与q同时为真时,相容或为真,排斥或为假。因此当p、q不能同时为真时,“相容或”与“排斥或”相同。

即:当客观事实上p、q不可能同时发生时,“排斥或”也可以符号化为 p ∨ q p \vee q p∨q

例如: p p p:王冬生于1971年 , q : ,q: ,q:王冬生于1972年 在这里插入图片描述

p与q的蕴涵式(q是p的必要条件)—— p → q p\rightarrow q p→q 规定 p → q p\rightarrow q p→q为假当且仅当 p 真 q 假 p真q假 p真q假

自然语言中,q是p的必要条件有许多不同的叙述方式。例如:“只要p,就q”、“因为p、所以q”、“只有(除非)q,才p”、“p仅当q”、“q当p”…等,这些语句都应符号化为 p → q p\rightarrow q p→q

描述符号化只有A,才B B → A B\rightarrow A B→A除非A,才B B → A B\rightarrow A B→AA仅当B A → B A\rightarrow B A→BA当B B → A B\rightarrow A B→A除非A,否则B ¬ A → B \neg A\rightarrow B ¬A→B p与q的等价式(p、q互为充要条件)—— p ↔ q \leftrightarrow q ↔q 也可以表示为 ( p → q ) ∧ ( q → p ) 、 ( p → q ) ∧ ( ¬ p → ¬ q ) (p \rightarrow q) \land (q \rightarrow p)、(p \rightarrow q) \land (\neg p\rightarrow \neg q) (p→q)∧(q→p)、(p→q)∧(¬p→¬q)

在这里插入图片描述

例题:

虽然2能整除4,但2不能整除5 —— p ∧ ¬ q p\land \neg q p∧¬q (p:2能整除4,q:2能整除5)虽然他没上过大学,但是他自学成才 —— ¬ p ∧ q \neg p\land q ¬p∧q (p:上过大学,q:自学成才)除非4是奇数,否则5不是奇数 —— ¬ p → ¬ q \neg p\rightarrow \neg q ¬p→¬q(p:4是奇数,q:5是奇数)种瓜得瓜,种豆得豆 —— ( p → q ) ∧ ( r → s ) (p\rightarrow q)\land (r\rightarrow s) (p→q)∧(r→s)经一事,长一智,且不经一事,不长一智 —— ( p → q ) ∧ ( ¬ p → ¬ q ) (p\rightarrow q)\land (\neg p\rightarrow \neg q) (p→q)∧(¬p→¬q) 即 p ↔ q p\leftrightarrow q p↔q经一事,长一智,且不长一智,不经一事 —— ( p → q ) ∧ ( ¬ q → ¬ p ) (p\rightarrow q)\land (\neg q\rightarrow \neg p) (p→q)∧(¬q→¬p) 即 p → q p\rightarrow q p→q根号5是无理数 —— p只要别人有困难,老王就帮助别人,除非困难解决了 —— ¬ r → ( p → q ) \neg r\rightarrow (p\rightarrow q) ¬r→(p→q)(p:别人有困难,q:老王帮助别人,r:困难解决了)

当A为矛盾式时, A ∨ C ⇔ A ∨ B A\vee C\Leftrightarrow A\vee B A∨C⇔A∨B可以推出 B ⇔ C B\Leftrightarrow C B⇔C; 当A为重言式时, A ∧ C ⇔ A ∧ B A\land C\Leftrightarrow A\land B A∧C⇔A∧B可以推出 B ⇔ C B\Leftrightarrow C B⇔C.

命题公式

在这里插入图片描述

对命题公式的分析 公式的层次 若A为单个的命题变元或常元,则称A为 0 0 0层公式若B、C分别为 i 、 j i、j i、j层公式,则 A = ¬ B A=\lnot B A=¬B为 i + 1 i+1 i+1层 A = B ∧ C A= B \land C A=B∧C为 m a x ( i , j ) + 1 max(i, j)+1 max(i,j)+1层 A = B ∨ C A= B \vee C A=B∨C为 m a x ( i , j ) + 1 max(i, j)+1 max(i,j)+1层 A = B → C A= B \rightarrow C A=B→C为 m a x ( i , j ) + 1 max(i, j)+1 max(i,j)+1层 A = B ↔ C A= B \leftrightarrow C A=B↔C为 m a x ( i , j ) + 1 max(i, j)+1 max(i,j)+1层

注意:命题公式不是命题,其真值是不确定的。只有将公式中的所有命题变元用确定的命题带入时(称之为“赋值”、“解释”),才成为一个命题(真值确定)。这个命题的真值取决于所带入的这组命题的真值。

使命题公式为真的一组赋值——成真赋值使命题公式为假的一组赋值——成假赋值、 显然,含n个命题变元的命题公式有 2 n 组赋值 真值表

用真值表求成真赋值、成假赋值。 在这里插入图片描述 若一个公式含有 n n n个命题变元和 k k k个逻辑联结词,则真值表的规模为 2 n × ( k + n ) 2^n\times (k + n) 2n×(k+n)。 在列这 2 n 2^n 2n种赋值时,应从00…0开始,以二进制加法的顺序,依次写出每个赋值,直到11…1为止。 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 A为可满足式,即A至少存在一组成真赋值。

若公式A和公式B的真值表的最后一列相同,说明这两个真值表相同,即A与B是等值的。

等值演算

给定n个命题变元,由递归形成的命题公式是无穷多的,但在这些公式中,逻辑不同的的命题公式却是有限的,也即真值表的种数是有限的。 对于公式A,B,若等价式 A ↔ B A \leftrightarrow B A↔B为重言式,则称A,B是等值的,记为 A ⇔ B A\Leftrightarrow B A⇔B。即对于任意一组命题变元的取值,A、B的真值均相同。

可以通过比较真值表的最后一列来判断两个公式是否等值。 在这里插入图片描述 证明公式等值的另一个方法是:利用已知的等值式通过代换得到新的等值式。 在这里插入图片描述

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

注意:用等值演算法可以验证两个公式等值,但不能直接用等值演算法验证两个公式不等值,不过可以先分别用等值演算法将两个公式化为容易观察真值的形式,再比较真值,只需找到一组成真赋值是另一个公式的成假赋值即可。

证明一个公式为重言式时,若该公式为非等价形式,则最终证明其等值于1。 p ⇔ . . . ⇔ 1 p\Leftrightarrow ... \Leftrightarrow1 p⇔...⇔1; 若该公式为等价形式 p ↔ q p \leftrightarrow q p↔q,则证明方式为: p ⇔ . . . ⇔ q p\Leftrightarrow...\Leftrightarrow q p⇔...⇔q 证明一个公式为矛盾式,即证明该公式等值于0.

应用: 1,联结词完备集 同一个命题公式可用各种联结词构成无数种不同形式的等值公式,我们所使用的联结词有5个: { ¬ , ∧ , ∨ , → , ↔ } \{\neg,\land,\vee,\rightarrow,\leftrightarrow\} {¬,∧,∨,→,↔},我们也可以将现有的联结词扩充得更多, 但在不增加变元个数的前提下, 那些扩充实际上都没有意义, 因为它们都可以用现有的五个联结词来表示。那么这5个联结词就都是必要的吗?该联结词完备集中是否含冗余的联结词? 结论: { ¬ , ∧ } \{\neg,\land \} {¬,∧}, { ¬ , ∨ } \{\neg,\vee\} {¬,∨}是极小的联结词完备集。即仅使用两个联结词就可以表示所有的公式。

将已知的命题公式等值地化成给定的联结词完备集中的公式,所得的答案不唯一。

使用德摩根律实现合取和析取之间的转化。

题型:在某个联结词完备集中的形式——即将公式化为只含这些联结词的形式。

2, 在这里插入图片描述 主要思想为:将条件与结果符号化,形成一个命题公式: 条 件 ∧ 结 果 条件\land 结果 条件∧结果,对该命题公式进行等值演算。

范式

把所有命题公式都规范化为一种统一的格式,这种规范的表达式能表达真值表所能提供的一切信息,以便于命题公式之间的比较。

简单析取式、简单合取式

将 p p p和 ¬ p \neg p ¬p(p为命题变元)统称为文字. 仅由有限个文字构成的析取式称作简单析取式. 仅由有限个文字构成的合取式称作简单合取式.

在这里插入图片描述

一个简单合取式为矛盾式 当且仅当 它同时包含某个命题变元及其否定式,即该简单合取式中包含 p ∧ ¬ p p \land\neg p p∧¬p一个简单析取式为重言式 当且仅当 它同时包含某个命题变元及其否定式,即该简单合取式中包含 p ∨ ¬ p p \vee\neg p p∨¬p 析取范式、合取范式

在这里插入图片描述

注意:

简单析取式、简单合取式 都 既是析取范式,也是合取范式。 单个简单析取式既是由一个简单析取式构成的合取范式,也是由多个简单合取式构成的析取范式; 单个简单合取式既是由一个简单合取式构成的析取范式,也是由多个简单析取式构成的合取范式。一个析取范式为矛盾式当且仅当它的每个简单合取式都是 矛盾式一个合取范式为重言式当且仅当它的每个简单析取式都是 重言式析取范式、合取范式最多只有一层括号

范式存在定理:任一命题公式都存在与之等值的析取范式和合取范式。 即任意公式都可以化为析取范式或合取范式的形式。

将命题公式化为析取范式或合取范式,可以分为3步:

消除公式中对{¬,∧,∨}来说冗余的联结词“→”和“↔” A → B ⇔ ¬ A ∨ B A ↔ B ⇔ ( ¬ A ∨ B ) ∧ ( ¬ B ∨ A ) A\rightarrow B \Leftrightarrow \neg A \vee B \\A\leftrightarrow B \Leftrightarrow (\neg A \vee B)\land (\neg B \vee A) A→B⇔¬A∨BA↔B⇔(¬A∨B)∧(¬B∨A)将“¬”向内深入到变元前面并消去多余的“¬” ¬ ¬ A = A ¬ ( A ∧ B ) ⇔ ( ¬ A ∨ ¬ B ) ¬ ( A ∨ B ) ⇔ ( ¬ A ∧ ¬ B ) \neg \neg A = A\\\neg(A\land B)\Leftrightarrow(\neg A \vee \neg B)\\\neg(A\vee B)\Leftrightarrow(\neg A \land \neg B) ¬¬A=A¬(A∧B)⇔(¬A∨¬B)¬(A∨B)⇔(¬A∧¬B)使用分配律将公式变为所需的范式,要根据所需要的结果利用分配律,消去嵌套的括号

利用以上3个步骤, 一定能求出公式的析取范式或合取范式, 但形式可能是多样的, 即公式的析取范式或合取范式是不惟一的。

在这里插入图片描述

主析取范式 极小项

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

首先将简单合取式标准化为极小项,再求公式的以极小项为简单合取式的析取范式, 即为主析取范式。

主析取范式存在惟一定理:任何命题公式的主析取范式都是存在的, 并且是惟一的。 由此, A ⇔ B A\Leftrightarrow B A⇔B当且仅当 A A A与 B B B有相同的主析取范式。

求主析取范式的一般方法:

求出析取范式将析取范式中不是极小项的简单合取式转化为极小项

将简单合取式转化为极小项的方法: 若简单合取式A中不含命题变元r,则利用 A ⇔ A ∧ 1 ⇔ A ∧ ( r ∨ ¬ r ) ⇔ ( A ∧ r ) ∨ ( A ∧ ¬ r ) ⇔ ( A ∧ r 1 ∧ r 2 ) ∨ ( A ∧ r 1 ∧ ¬ r 2 ) ∨ ( A ∧ ¬ r 1 ∧ r 2 ) ∨ ( A ∧ ¬ r 1 ∧ ¬ r 2 ) A\Leftrightarrow A\land 1\Leftrightarrow A \land(r\vee\neg r)\Leftrightarrow (A\land r)\vee (A\land\neg r)\\\Leftrightarrow (A\land r_1\land r_2)\vee (A\land r_1\land \neg r_2)\vee(A\land\neg r_1\land r_2)\vee(A\land\neg r_1\land\neg r_2) A⇔A∧1⇔A∧(r∨¬r)⇔(A∧r)∨(A∧¬r)⇔(A∧r1​∧r2​)∨(A∧r1​∧¬r2​)∨(A∧¬r1​∧r2​)∨(A∧¬r1​∧¬r2​)转化为了只含极小项的析取式。

化简:将重复出现的命题变元、矛盾式及重复出现的最小项都消去将极小项按下标由小到大的顺序排列

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 若公式A中含有n个命题变元,A的主析取范式含s(0 ≤ s ≤ 2 n 2^n 2n)个极小项,则A有s个成真赋值,它们是所含极小项下标的二进制表示,其余 2 n − s 2^n-s 2n−s个赋值都是成假赋值。

主合取范式

在这里插入图片描述 注意:

极小项极大项简单合取式简单析取式原型对应1,否定对应0原型对应0,否定对应1对应的二进制数为成真赋值,也是唯一的成真赋值对应的二进制数为成假赋值,也是唯一的成假赋值

极小项的否定即极大项: ¬ m i = M i \neg m_i = M_i ¬mi​=Mi​ 极大项的否定即极小项: ¬ M i = m i \neg M_i = m_i ¬Mi​=mi​

在这里插入图片描述

求主合取范式的一般方法:

求出合取范式将合取范式中不是极大项的简单析取式化为极大项

将简单析取式转化为极大项的方法: 若简单析取式A中不含命题变元r,则利用 A ⇔ A ∨ 0 ⇔ A ∨ ( r ∧ ¬ r ) ⇔ ( A ∨ r ) ∧ ( A ∨ ¬ r ) ⇔ ( A ∨ r 1 ∨ r 2 ) ∧ ( A ∨ r 1 ∨ ¬ r 2 ) ∧ ( A ∨ ¬ r 1 ∨ r 2 ) ∧ ( A ∨ ¬ r 1 ∨ ¬ r 2 ) A\Leftrightarrow A\vee 0\Leftrightarrow A \vee(r\land\neg r)\Leftrightarrow (A\vee r)\land(A \vee\neg r)\\\Leftrightarrow (A\vee r_1\vee r_2)\land (A\vee r_1\vee \neg r_2)\land(A\vee\neg r_1\vee r_2)\land(A\vee\neg r_1\vee\neg r_2) A⇔A∨0⇔A∨(r∧¬r)⇔(A∨r)∧(A∨¬r)⇔(A∨r1​∨r2​)∧(A∨r1​∨¬r2​)∧(A∨¬r1​∨r2​)∧(A∨¬r1​∨¬r2​)转化为了只含极大项的合取式。

化简:将重复出现的命题变元、矛盾式及重复出现的最大项都消去将极大项按下标由小到大的顺序排序 主析取、合取范式的总结

牢记: A ⇔ ( A ∧ r ) ∨ ( A ∧ ¬ r ) ( 主 析 取 范 式 )     ⇔ ( A ∨ r ) ∧ ( A ∨ ¬ r ) ( 主 合 取 范 式 ) A \Leftrightarrow (A\land r)\vee(A\land\neg r)(主析取范式)\\ \ \ \ \Leftrightarrow (A\vee r)\land(A\vee\neg r)(主合取范式) A⇔(A∧r)∨(A∧¬r)(主析取范式)   ⇔(A∨r)∧(A∨¬r)(主合取范式)

简单析取式,简单合取式 合取范式 析取范式 主合取范式 主析取范式

在这里插入图片描述 在进行等值演算的过程中,若已发现该公式为重言式或矛盾式,则可直接写出该公式的主析取范式和主合取范式:

重言式的主析取范式即 2 n 2^n 2n个极小项都有,主合取范式为1;矛盾式的主析取范式为0,主合取范式即 2 n 2^n 2n个极大项都有。

主析取范式中每个极小项都是其成真赋值;主合取范式中每个极大项都是其成假赋值。

由主析取范式求主合取范式: 例如若A中含有3个命题变元: A ⇔ m 1 ∨ m 2 ∨ m 3 ( 主 析 取 范 式 )                          ⇔ M 0 ∧ M 4 ∧ M 5 ∧ M 6 ∧ M 7 ( 主 合 取 范 式 ) A \Leftrightarrow m_1\vee m_2\vee m_3(主析取范式)\\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \Leftrightarrow M_0\land M_4\land M_5\land M_6\land M_7(主合取范式) A⇔m1​∨m2​∨m3​(主析取范式)                        ⇔M0​∧M4​∧M5​∧M6​∧M7​(主合取范式)

在演算过程中,先求本题较容易求出的主合取范式(主析取范式),再根据合取、析取之间的转化,求出主析取范式(主合取范式)。

注意:

主析取范式为小写 ′ m ′ 'm' ′m′,原型为1,否定为0;主合取范式为大写 ′ M ′ 'M' ′M′,原型为0,否定为1.

主析取范式实质上就是列举出了该公式所有的成真赋值,除此之外的赋值自然就是成假赋值;主合取范式实质上就是列出了该公式的所有成假赋值。因此主析取范式与主合取范式之间可以很方便的互求。 若两个公式的主析取范式(或主合取范式)相同,实际上也就是真值表相同,因此说明了这两个公式等值。 真值表与主析取(合取)范式是描述命题公式的两种等价的不同形式。 因此也可以由真值表求出主析取范式和主合取范式:真值表 → \rightarrow →成真赋值/成假赋值 → \rightarrow →主析取范式/主合取范式

含n个命题变元的主析取范式共有 2 2 n 2^{2n} 22n种。



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