在谓词公式中,要确定其真值,需要指定个体域,要对谓词变元和个体变元赋以确定的值,要给函数符号指定具体的函数。因此对谓词公式的解释要复杂得多。下面给出谓词公式的一个解释的概念。
定义2.3.1 谓词逻辑中公式 A 的一个解释(或赋值) I 由如下四部分组成:
1)非空的个体域集合 D ;
2) A 中的每个常量符号,指定 D 中的某个特定的元素;
3) A 中的每个 n 元函数符号,指定 D n 到 D 的某个特定的函数;
4) A 中的每个 n 元谓词符号,指定 D n 到{0,1}的某个特定的谓词。
例2.3.1 给定解释 I 如下:
1)个体域为实数集合 ℝ;
2)元素 a =0;
3) N 中特定的函数 f ( x , y )= x-y ;
4) N 中特定的谓词 F ( x , y ): x < y 。
在解释 I 下,求下列公式的真值。
1)∀ xF ( f ( a , x ), a )
2)
3)∀ x ∀ y ∀ z ( F ( x , y )→ F ( f ( x , z ), f ( y , z )))
4)∀ x ∃ yF ( x , f ( f ( x , y ), y ))
5)∀ xF ( x , f ( x , a ))→ F ( x , y )
解 1)∀ xF ( f ( a , x ), a )⇔∀ x ( f ( a , x )< a )⇔∀ x ( a-x < a )⇔∀ x (0 -x <0)⇔∀ x (0< x )⇔0。
2) 。
3)∀ x ∀ y ∀ z ( F ( x , y )→ F ( f ( x , z ), f ( y , z )))⇔∀ x ∀ y ∀ z (( x < y )→( f ( x , z )< f ( y , z )))⇔∀ x ∀ y ∀ z (( x < y )→( x-z < y-z ))⇔∀ x ∀ y ∀ z (( x < y )→( x < y ))⇔1。
4)∀ x ∃ yF ( x , f ( f ( x , y ), y ))⇔∀ x ∃ y ( x < f ( f ( x , y ), y ))⇔∀ x ∃ y ( x <( f ( x , y ) -y ))⇔∀ x ∃ y ( x <( x-y-y ))⇔∀ x ∃ y ( x < x -2 y )⇔1。
5)∀ xF ( x , f ( x , a ))→ F ( x , y )⇔∀ x ( x <( x -0))→( x < y )⇔∀ x ( x < x )→( x < y )⇔1,因为蕴含式的前件为假。
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定理2.3.1 封闭的谓词公式在任何解释下都变成命题。
证明 略。
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不是闭式的谓词公式在某些解释下也可能变成命题,如例2.3.1中的公式5)不是闭式,但在解释 I 下是真命题。
定义2.3.2 设 A 是一个谓词公式。如果 A 在任何解释下的真值恒为真,则称 A 为 永真式 (或 逻辑有效式 );如果 A 在任何解释下的真值恒为假,则称该谓词公式为 永假式 (或 矛盾式 );如果至少存在一个解释使 A 的真值为真,则称 A 为 可满足式 。
例2.3.2 判定公式 ∀ y ∃ xA ( x , y )←→∃ x ∀ yxA ( x , y )的类型。
解 设个体域为自然数集合,令 A ( x , y )表示 xy = y 。因为对任何自然数 y ,均存在自然数 x ,使得 xy = y ,所以∀ y ∃ xA ( x , y )在该解释下的真值为1,而此时∃ x ∀ yA ( x , y )的真值也为1,因为存在一个自然数 x ,使得对所有的自然数 y ,都有 xy = y 。因而在此解释下∃ x ∀ yA ( x , y )←→∀ y ∃ xA ( x , y )的真值为1。
再设个体域为自然数集合, A ( x , y )表示 x > y 。因为对任何自然数 y ,均存在自然数 x ,使得 x > y ,所以∀ y ∃ xA ( x , y )在该解释下的真值为1,而此时∃ x ∀ yA ( x , y )的真值为0,因为不存在一个自然数 x ,使得对所有的自然数 y ,都有 x > y 。因而在此解释下∃ x ∀ yA ( x , y )←→∀ y ∃ xA ( x , y )的真值为0。
因此公式∀ y ∃ xA ( x , y )←→∃ x ∀ yA ( x , y )不是永真式,是可满足式。
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谓词公式没有像命题公式那样的真值表。判定一个谓词公式为永真式,当论述域是无限集时,要求在任何解释下谓词公式的真值均为1,这是不可能的。目前,还没有可行的算法判定一个谓词公式的类型,只能对一些特殊的谓词公式进行判断。
对于一些特殊的谓词公式,如果它是永真式或矛盾式,则可以采用分析法或公式法进行证明,如果它是可满足式,则要通过举例说明,给出两种解释,一种解释使其为真,另一种解释使其为假。
定义2.3.3 设 A 0 是含命题变元 p 1 , p 2 , p 3 ,…, p n 的命题公式, A 1 , A 2 ,…, A n 是 n 个谓词公式,用 A i (1≤ i ≤ n )代替 A 0 中的 p i ,所得公式 A 称为 A 0 的 代换实例 。
如 F ( x )→ G ( y )、∀ xF ( x )→∃ xF ( x )都是 p → q 的代换实例。
定理2.3.2 命题公式中永真式的代换实例都是永真式,矛盾式的代换实例都是矛盾式。
证明 略。
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例2.3.3 判断下列公式是永真式还是矛盾式。
1)∃ x ( A ( x )→ B ( x ))←→(∀ xA ( x )→∃ xB ( x ))
2)(∃ xA ( x )→∃ xB ( x ))→∃ x ( A ( x )→ B ( x ))
3) ;
解
因此有∃ x ( A ( x )→ B ( x ))←→(∀ xA ( x )→∃ xB ( x ))⇔1
所以∃ x ( A ( x )→ B ( x ))←→(∀ xA ( x )→∃ xB ( x ))为永真式。
所以(∃ xA ( x )→∃ xB ( x ))→∃ x ( A ( x )→ B ( x ))是永真式。
3)因为 ,而 是 的代换实例,所以 是矛盾式。
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