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数理の世界 数学の考え方

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Academic year: 2021

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(1)

数理の世界 数学の考え方

         ゲーデルの不完全性定理 形式的証明, ´ÎÁÁÁ回の講義µ

渕野 昌

神戸大学大学院 システム情報学研究科

神戸大学年後期の講義 教室,月曜

"# $%

(2)

恒真な文とトートロジー 復習 数理の世界 をある言語とするとき, 恒真こうしん であるとは,

すべての 構造 に対し, ! が成り立つこととする.

任意の 文が 与えられたときに, が恒真かどうかを判定する 一般的なアルゴリズムは存在しない このことは不完全性定理の 系として証明できる

たとえば, は, を,それぞれ "または#$"…でな # と解釈すると, に真の値を代入しても偽の値を代入しても,

全体の真偽値は常に真になる.このような表現のことを トートロ ジー とよぶ.

トートロジーの例

はトートロジーである.

(3)

恒真な文とトートロジー 復習 数理の世界

はトートロジーである.

一般に上のような表現 命題論理の論理式 がトートロジーである かどうかは,次のような 真偽値表 を使って調べることができる

で真, で偽をあらわ

すことにして

トートロジーの各々の文字変数に任意の 文を代入して得られる

文は,恒真である.このような 文のことも トートロジーとよ ぶことにする.

任意の について がトートロジーであるかどうかは判 定できる.

(4)

恒真な文とトートロジー 復習 数理の世界 任意の について がトートロジーであるかどうかは判 定できる.

文を代入することによって が得られる表現は有限個しかない から,それらの全部について,真偽値表を作ってトートロジーに なっているかどうかを判定すればよい.

もしトートロジーになっているものがあれば, はトートロジー である.もしトートロジーとなるものが つもなければ, トートロジーでない.

(5)

記法の補足 数理の世界

½

¾

¿

½

¾

¿ と省略することにする.

½

¾

¿ は,

"

½ なら ¾ なら ¿ #

に対応する論理式だが,これは,

"

½ かつ ¾ なら ¿ である# 論理的に 同値である.

より一般には,

½

¾

で,

½

¾

½

をあらわす.

(6)

体系 での形式的証明 数理の世界 言語 ごとに,体系 での証明は次の論理公理 推論規則 用いて次のように定義される.

論理公理は次のような 文からなる

トートロジーから得られた恒真な 論理式,

等号の公理 $$$½$¾$$ ½$¾$ を任意の変数記号とする とき,次の形の論理式

% & & &

'

½

½

½ $

½ $

$

ただし 変数関数記号&

½

½

½

$

½

$ $

ただし 変数関係記号

代入公理 論理式として, 変数記号, 項とする とき, の形の論理式.

(7)

体系 での形式的証明 数理の世界

論理公理は次のような 文からなる

トートロジーから得られた恒真な 論理式,

等号の公理 $$$½$¾$$ ½$¾$ を任意の変数記号とする とき,次の形の論理式

% & & &

'

½

½

½ $

½ $

$

ただし 変数関数記号&

½

½

½

$

½

$ $

ただし 変数関係記号

代入公理 論理式として, 変数記号, 項とする とき, の形の論理式.

ただし, の中にあらわれる をすべて で置き換え て得られる表現をあらわす.

また,上の「代入公理」の論理式は,厳密には, に現れる変数 記号が, にも現れていて,そのために,代入によりそれらの変 数が "からみあわない# ものに限る.この条件は正確に書き出せ るが,ここではその記述は省略する.

(8)

体系 での形式的証明 数理の世界

推論規則は以下のような二種類の図式からなる 三段論法 すべての 論理式 $ に対し,

の推 論規則である&

存在推論 すべての 論理式 $ と変数記号 に対し,

の推論規則である.ただし, には自由変 数として現われないものとする.

(9)

体系 での形式的証明 数理の世界

論理式の集合 ( 論理式 に対し, 論理式の列

!

½

$ (からの での 証明 である,とは次 が成り立つこととする

! &

すべての に対し,次が成り立つ

%

(であるか,または,

の論理公理であるか,または,

が存在して,

が 三段論法 になっている か,または,

' が存在して,

が 存在推論 になっているかの いずれかである.

(10)

意味論的な導出と形式的な体系での証明可能性 数理の世界

論理式 ! ½

$ に対し, ½

½

$

とあらわすことにする.

( 文の集合として 論理式とする.

構造 に対し !( (のモデルである を,すべての

(に対して, ! となること,とする.

すべての 構造 に対し, !( なら ! となるとき,

これを ( ! とあらわす.

( から での証明が存在するとき,これを( とあら わす.

(11)

の健全性と完全性 数理の世界

健全性定理. ( なら( ! である.

完全性定理 ゲーデル, 昭和( ! なら( ある.

健全性定理と完全性定理は, での形式的証明が,数学での証明 の完全な形式化になっていることを示していると解釈できる.

特に, での形式的な公理系として書き下せる数学体系での,す べての証明は, での形式的証明に翻訳できる,と考えてよい.

(12)

での形式的証明の例 数理の世界

での形式的証明は,普通に数学で行なう証明よりずっと複雑に なってしまうことが多い.

もっと普通に数学で行なう証明に近い形で証明が形式化できる

と同値な 体系が色々工夫されている.

これらの体系は,コンピュータ上に実装することも可能である.

このようなプログラムは )* とよばれることがある

での形式的証明の例

(13)

クルト・ゲーデル

この彼の時代の最も重要な 論理学者は,数学と哲学の 学生として,

日から までここに住んだ.

Ì Ì

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