8.1.2. Исчисление предикатов

Исчисление высказываний имеет определенные ограничения. Оно не позволяет оперировать с обобщенными утверждениями вроде "Все люди смертны". Конечно, можно обозначить такое утверждение некоторой пропозициональной константой р, а другой константой q обозначить утверждение "Сократ — человек". Но из (р л q) нельзя вывести утверждение "Сократ смертен".

Для этого нужно анализировать пропозициональные символы в форме предикатов и аргументов, кванторов и квантифщированных переменных. Логика предикатов предоставляет нам набор синтаксических правил, позволяющих выполнить такой анализ, набор семантических правил, с помощью которых интерпретируются эти выражения, и теорию доказательств, которая позволяет вывести правильные формулы, используя синтаксические правила дедукции. Предикатами обозначаются свойства, такие как "быть человеком", и отношения, такие как быть "выше, чем".

Аргументы могут быть отдельными константами, или составным выражением "функция-аргумент", которое обозначает сущности некоторого мира интересующих нас объектов, или отдельными квантифицируемыми переменными, которые определены в этом пространстве объектов. Специальные операторы — кванторы — используются для связывания переменных и ограничения области их интерпретации. Стандартными являются кванторы общности (V) и существования (3). Первый интерпретируется как "все", а второй — "кое-кто" (или "кое-что").

Ниже приведены синтаксические правила исчисления предикатов первого порядка.

Любой символ (константа или переменная) является термом. Если r_k является символом k-местной функции и а₁ ..., <x_k являются термами, то Г_k(a₁..., a_k) является термом.

(S 40

Если Tk является символом k-местного предиката

и а₁ ..., a_k являются термами,

то U(а₁ ..., a_k) является правильно построенной формулой (ППФ).

(S. -) и (S. v)

Правила заимствуются из исчисления высказывании.

(S. V) Если U является ППФ и % является переменной,

то (любой Х) U является ППФ.

Для обозначения используются следующие символы:

• U — произвольный предикат;
  
• Г — произвольная функция;
  
• a — произвольный терм;
  
• X — произвольная переменная.
  

Действительные имена, символы функций и предикатов являются элементами языка первого порядка.

Использование квантора существования позволяет преобразовать термы с квантором общности в соответствии с определением

(EX)U определено как -(любой X)-U.

Выражение (EХ)(ФИЛОСОФ(Х)) читается как "Кое-кто является философом", а выражение (любой Х)(ФИЛОСОФ(Х)) читается как "Любой является философом". Выражение ФИЛОСОФ(Х) представляет собой правильно построенную формулу, но это не предложение, поскольку область интерпретации для переменной X не определена каким-либо квантором. Формулы, в которых все упомянутые переменные имеют определенные области интерпретации, называются замкнутыми формулами.

Как и в исчислении высказываний, в исчислении предикатов существует нормальная форма представления выражений, но для построения такой нормальной формы используется расширенный набор правил синтаксических преобразований. Ниже приведена последовательность применения таких правил. Для приведения любого выражения к нормальной форме следует выполнить следующие операции.

(1) Исключить операторы эквивалентности, а затем импликации.

(2) Используя правила Де Моргана и правила замещения (E X)U на -(любой X)-U (а следовательно, и (любой X) U на -(E X)-U), выполнить приведение отрицания.

(3) Выполнить приведение переменных. При этом следует учитывать особенности определения области интерпретации переменных кванторами. Например, в выражении (E Х)(ФИЛОСОФ(Х))&(E Х)(АТЛЕТ(Х)) переменные могут иметь разные интерпретации в одной и той же области. Поэтому вынесение квантора за скобки — (E Х)(ФИЛОСОФ(Х))&.(АТЛЕТ(Х))— даст выражение, которое не следует из исходной формулы.

(4) Исключить кванторы существования. Кванторы существования, которые появляются вне области интерпретации любого квантора общности, можно заменить произвольным именем (его называют константой Сколема), в то время как экзистенциальные переменные, которые могут существовать внутри области интерпретации одного или более кванторов общности, могут быть заменены функциями Сколема. Функция Сколема— это функция с произвольным именем, которая имеет следующий смысл: "значение данной переменной есть некоторая функция от значений, присвоенных универсальным переменным, в области интерпретации которых она лежит".

(5) Преобразование в префиксную форму. На этом шаге все оставшиеся кванторы (останутся только кванторы общности) переносятся "в голову" выражения и таким образом оказываются слева в списке квантифицированных переменных. За ними следует матрица, в которой отсутствуют кванторы.

(6) Разнести операторы дизъюнкции и конъюнкции.

(7) Отбросить кванторы общности. Теперь все свободные переменные являются неявно универсально квантифицированными переменными. Экзистенциальные переменные станут либо константами, либо функциями универсальных переменных.

(8) Как и ранее, отбросить операторы конъюнкций, оставив множество фраз.

(9) Снова переименовать переменные, чтобы одни и те же имена не встречались в разных фразах.

8.1. Снова о роботах и комнатах

В главе 3 мы уже упоминали об исчислении предикатов в упрощенном виде. Там выражение вида

at(робот, комнатаА)

означало, что робот находится в комнате А. Термы робот и комнатаА в этом выражении представляли собой константы, которые описывали определенные реальные объекты. Но что будет означать выражение вида

at(X, комнатаА) ,

в котором х является переменной? Означает ли оно, что нечто находится в комнате А? Если это так, то говорят, что переменная имеет экзистенциальную подстановку (импорт). А может быть, выражение означает, что все объекты находятся в комнате А? В таком случае переменная имеет универсальную подстановку. Таким образом, отсутствие набора четких правил не позволяет однозначно интерпретировать приведенную формулу.

Перечисленные в этом разделе правила исчисления предикатов обеспечивают однозначную интерпретацию выражений, содержащих переменные.

В частности, фраза

at(X, комнатаА )<—at (X, ящик1) интерпретируется как

"для всех X X находится в комнате А, если X находится в ящике 1". В этой фразе переменная имеет универсальную подстановку. Аналогично, фраза

at(X, комнатаА) <-интерпретируется как "для всех X X находится в комнате А". А вот фраза

<— at(X, комнатаА) интерпретируется как "для всех XX не находится в комнате А".

Иными словами, это не тот случай, когда некоторый объект X находится в комнате А и, следовательно, переменная имеет экзистенциальную подстановку.

Теперь можно преобразовать фразовую форму, в которой позитивные литералы сгруппированы слева от знака стрелки, а негативные — справа. Если фраза в форме

P₁, ..., Рт <— q₁,...qn содержит переменные х₁,..., хk, то правильная интерпретация имеет следующий вид:

для всех x₁, ..., х_k

p₁ или ... или p_m является истинным, если q₁ и ... и q_n являются истинными.

Если п = 0, т.е. отсутствует хотя бы одно условие, то выражение будет интерпретироваться следующим образом:

для всех x1, ..., x_k

p₁ или ... или р_т является истинным.

Если т = 0, т.е. отсутствуют термы заключения, то выражение будет интерпретироваться следующим образом:

для всех x₁, ..., x_k

не имеет значения, что q₁ и ... и q_n являются истинными.

Если же т = п = 0, то мы имеем дело с пустой фразой, которая всегда интерпретируется как ложная.