ПРЕДСТАВЯНЕ НА ФОРМУЛИ В ПРЕНЕКСЕН ВИД

    За една формула казваме, че е в пренексен вид, ако тя може да се получи от някоя безкванторна формула чрез някакъв (евентуално нулев) брой прилагания на действието поставяне на квантор пред дадена формула относно свободна променлива на формулата. Това описание може да се оформи като индуктивна дефиниция със следните две точки:
      1. Всяка безкванторна формула е в пренексен вид.
      2. Всеки път, когато θ е формула в пренексен вид, а ξ е нейна свободна променлива, формулите ξθ и ξθ също са в пренексен вид.

    Ще докажем следното твърдение.

    Теорема за представимост в пренексен вид. Всяка формула е еквивалентна на някоя формула в пренексен вид, имаща същите свободни променливи като дадената.

    Доказателство. За нуждите на това доказателство ще съпоставим на всяка формула неотрицателно цяло число, което ще наричаме нейно тегло. Ще направим това с помощта на следната индуктивна дефиниция:
      а) атомарните формули имат тегло 0;
      б) теглото на отрицанието на една формула е равно на удвоеното тегло на самата формула;
      в) теглото на конюнкцията и на дизюнкцията на две формули е равно на удвоения сбор от техните тегла;
      г) за всяка формула θ и всяка променлива ξ теглото на формулата ξθ и на формулата ξθ е с 1 по-голямо от теглото на θ.

    Сега ще отбележим някои следствия от горната дефиниция. Ако θ е формула с тегло t, а ξ и °ξ са двата квантора относно дадена променлива ξ, то формулите ¬ξθ и °ξ¬θ имат тегла съответно 2(t+1) и 2t+1, следователно втората от тях има по-малко тегло от първата. Чрез индукция, съответна на дефиницията за формула, се доказва, че при заместване на променлива с терм в дадена формула получената формула има същото тегло като дадената. Като използваме това, виждаме, че ако са дадени две формули θ и φ с тегла съответно t и u, ξ е квантор за общност или за съществуване относно дадена променлива ξ, η е същият вид квантор относно някоя променлива η, за която θ[ξ/η] е дефинирано, а е знак за конюнкция или знак за дизюнкция, то формулите ξθφ и η(θ[ξ/η]φ) имат тегла съответно 2(t+1+u) и 2(t+u)+1, следователно втората от тях има по-малко тегло от първата. Аналогично е положението и с двойката формули φξθ и η(φθ[ξ/η]).

    Очевидно теоремата ще бъде доказана, ако покажем, че всяка формула, която не е в пренексен вид, е еквивалентна на някоя формула с по-малко тегло, имаща същите свободни променливи. Ще постигнем това, като докажем, пак чрез индукция, съответна на дефиницията за формула, че всяка формула притежава свойството да е в пренексен вид или да е еквивалентна на формула с по-малко тегло, имаща същите свободни променливи. За атомарните формули свойството е налице, защото те са безкванторни и значи са в пренексен вид. Преминаваме към разглеждане на различните възможни случаи при индуктивната стъпка.

    Нека свойството е налице за дадена формула φ (т.е. φ е в пренексен вид или е еквивалентна на формула с по-малко тегло, имаща същите свободни променлививи). Ще покажем, че и формулата ¬φ има това свойство. Ако формулата φ е в пренексен вид, то тя е безкванторна или има вида ξθ за някоя променлива ξ и някоя формула θ, където ξ е квантор за общност или квантор за съществуване относно ξ. Ако φ е безкванторна, то ¬φ също е безкванторна и следователно е в пренексен вид. Ако пък φ=ξθ, то формулата ¬φ е еквивалентна на формулата °ξ¬θ, където °ξ е другият квантор относно ξ. Лесно се проверява обаче, че тези две формули са с едни и същи свободни променливи, а от друга страна втората има по-малко тегло от първата. Най-сетне, ако φ е еквивалентна на някоя формула ψ с по-малко тегло и със същите свободни променливи, то ¬φ ще бъде еквивалентна на ¬ψ, като връзките между теглата на тези две еквивалентни формули и между множествата на техните свободни променливи пак ще бъдат такива, каквито трябва.

    Нека разглежданото свойство е налице за дадена формула φ1 и за дадена формула φ2 (т.е. всяка от тези две формули е в пренексен вид или е еквивалентна на формула с по-малко тегло, имаща същите свободни променливи). Ще покажем, че свойството е налице и за формулата φ1φ2, където е знакът за конюнкция или знакът за дизюнкция. Ако формулата φ1 е еквивалентна на някоя формула ψ с по-малко тегло и със същите свободни променливи, то формулата φ1φ2 е еквивалентна на формулата ψφ2, а тя е с по-малко тегло и е със същите свободни променливи. Аналогично се разглежда и случаят, когато φ2 е еквивалентна на формула с по-малко тегло и със същите свободни променливи. Да предположим сега, че всяка от формулите φ1 и φ2 е в пренексен вид. Тогава всяка от тях е безкванторна или има вида ξθ за някоя променлива ξ и някоя формула θ, където ξ е квантор за общност или квантор за съществуване относно ξ. Ако и двете формули φ1 и φ2 са безкванторни, то и формулата φ1φ2 също е безкванторна и значи е в пренексен вид. Ако φ1 има вида ξθ, то при подходящо избрана променлива η формулата φ1φ2 е еквивалентна на формула η(θ[ξ/η]φ2) със същите свободни променлива, но с по-малко тегло. Аналогично се разглежда и случаят, когато φ2 има вида ξθ.

    За да завършим доказателството, остава да проверим, че разглежданото свойство се запазва и при поставяне на квантор пред формула с това свойство. Нека φ е формула с въпросното свойство, а ξ е квантор за общност или квантор за съществуване относно дадена променлива ξ. Ще покажен, че и формулата ξφ притежава същото свойство. Ако φ е в пренексен вид, то формулата ξφ също е в пренексен вид, когато ξ е свободна променлива на φ, а в случай, че ξ не е свободна променлива на φ, формулите ξφ и φ са еквивалентни и имат едни и същи свободни променливи, като втората е с по-малко тегло от първата. Ако пък φ е еквивалентна на някоя формула ψ с по-малко тегло и със същите свободни променливи, то ξφ е еквивалентна на ξψ, като тези две формули са с едни и същи свободни променливи, но втората е с по-малко тегло от първата. 

    Забележка 1. Горното доказателство фактически дава начин, позволяващ всяка формула, която не е в пренексен вид, да бъде заменена с някоя еквивалентна на нея формула със същите свободни променливи, но с по-малко тегло, като в общия случай начинът може да предлага няколко такива възможности за замяна. Правейки последователно подходящ брой пъти такива замени, можем за коя да е формула действително да намерим еквивалентна на нея формула в пренексен вид, която има същите свободни променливи. Видът на тази формула може обаче да зависи от нашите избори на възможност при отделните стъпки, които правим. Например за формулата  x p(x)& y q(y)  имаме възможност при първата стъпка да я заменим било със  x(p(x)& y q(y)) било със  y(x p(x)& q(y)) Който и от двата избора да направим, след втората стъпка ще получим формула в пренексен вид, но в единия случай тя ще бъде  xy(p(x)& q(y)) а в другия ще бъде  yx(p(x)& q(y)).

    Забележка 2. Ние доказахме теоремата за представимост в пренексен вид без да използваме възможността за едновременно изнасяне на квантор за общност от двата члена на конюнкция и за едновременно изнасяне на квантор за съществуване от двата члена на дизюнкция. Методът, за който става дума в предходната забележка, може да бъде усъвършенстван така, че да допуска използване и на тези две възможности. Понякога това усъвършенстване позволява да получим като краен резултат по-проста формула. Например чрез прилагане на метода в първоначалния му вид можем от формулата

xy p(x,y)& xy q(x,y)
да получим последователно формулите
x(y p(x,y)& xy q(x,y)),
xy(p(x,y)& xy q(x,y)),
xyu(p(x,y)& y q(u,y)),
xyuv(p(x,y)& q(u,v)).
Освен последната от тях бихме могли да получим като краен резултат и няколко други формули в пренексен вид като да речем формулата
xyuv(p(u,v)& q(x,y)),
но и те ще бъдат с по четири квантора. От друга страна при усъвършенстваната форма на метода може да се получи като краен резултат и формула само с три квантора. Това може да се направи като от дадената формула последователно се получат следните формули:
x(xy p(x,y)& y q(x,y)),
xz(y p(z,y)& q(x,z)),
xzy(p(z,y)& q(x,z)).

 

Последно изменение във файла:  7 ноември 2005 г.