ПРИВЕЖДАНЕ НА БЕЗКВАНТОРНА ФОРМУЛА В ДИЗЮНКТИВЕН И В КОНЮНКТИВЕН НОРМАЛЕН ВИД

    Ще покажем първо как за всяка безкванторна формула може да се намери еквивалентна на нея формула в дизюнктивен нормален вид. Методът, чрез който ще става намирането на такава формула, е итеративен, а обектите, с които работи той, са крайни множества, на които всеки елемент е непразно крайно множество от безкванторни формули. Нека дадената безкванторна формула е θ. Тогава се започва с множеството, имащо за единствен елемент едноелементното множество {θ}, а се завършва с някое множество, на което елементите са непразни множества от литерали. При това на всяка стъпка ще остава непроменена съвкупността на конфигурациите, които удовлетворяват поне едно от разглежданите в текущия момент краен брой множества. Благодарение на това формулата θ ще бъде вярна точно в онези конфигурации, които удовлетворяват поне едно от получените накрая множества от литерали. Значи ако броят на тези множества е различен от 0, и за всяко от тях образуваме конюнкция на принадлежащите му литерали, а след това образуваме дизюнкция на тези конюнкции, тя ще бъде формула в дизюнктивен нормален вид, еквивалентна на θ. Ако пък броят на споменатите множества е нулев, то очевидно формулата θ е неизпълнима и значи е еквивалентна на произволна двучленна елементарна конюнкция, на която членовете са някоя атомарна формула и нейното отрицание.

    За да опишем стъпките, чрез които се осъществява методът, първо ще се условим да наричаме допустима замяна на едно множество Γ от безкванторни формули, съответна на дадена формула θ от него, такава замяна на Γ с 0, 1 или 2 множества от безкванторни формули, че да бъде изпълнено някое от условията:
      а)  формулата ¬θ също принадлежи на множеството Γ и то се заменя с 0 на брой множества;
      б)  Γ се заменя с множеството (Γ\{θ})'}, където θ' е формула, за която θ е ¬¬θ', или пък за някои формули φ и ψ имаме, че θ е ¬(φ&ψ), а θ' е ¬φ¬ψ, или че θ е ¬ψ), а θ' е ¬φ&¬ψ;
      в)  Γ се заменя с множеството (Γ\{θ}){φ,ψ}, където φ и ψ са такива формули, че θ е φ&ψ;
      г)  Γ се заменя с двете (евентуално съвпадащи) множества (Γ\{θ}){φ} и (Γ\{θ}){ψ}, където φ и ψ са такива формули, че θ е φψ.

    Лесно се забелязва, че при допустима замяна на едно множество Γ от безкванторни формули, съответна на дадена негова формула, тази формула не принадлежи на никое от заменящите множества, но те (в случай, че броят им е ненулев) също се състоят от безкванторни формули и не са празни, а ако Γ е крайно, те също са крайни. Може да се случи в Γ да съществува повече от една формула, за която има съответна на нея допустима замяна на Γ, а би могло също за някоя формула от Γ да има повече от една допустима замяна на Γ, съответна на нея (това положение ще бъде налице, когато формулата не е литерал, а отрицанието й също принадлежи на Γ). Допустими замени на едно множество от безкванторни формули ще наричаме всички допустими негови замени, съответни на формули от него. Веднага се вижда, че при коя да е допустима замяна на едно множество Γ от безкванторни формули конфигурациите, удовлетворяващи Γ, са точно онези, които удовлетворяват поне едно от множествата, заменящи Γ. Ясно е също, че за едно множество от безкванторни формули не съществува допустима замяна тогава и само тогава, когато всички формули от множеството са литерали и никой от тях не е отрицание на атомарна формула, принадлежаща на множеството. Такова множество ще наричаме просто.

    Приемаме, че споменатият по-горе итеративен процес завършва, когато стигнем до множество от прости множества. Когато пък 1,n} е крайно множество, чиито елементи са непразни крайни множества от безкванторни формули, и поне едно от тези множества не е просто, разрешена стъпка на итеративния процес за това множество е заменянето в него на всяко множество Γi, което не е просто, с множествата, получени при някоя допустима замяна на това Γi (ако някои множества Γi са прости, те се запазват без изменение). От казаното в предходния абзац следва, че след извършването на такава стъпка получаваме пак крайно множество, чиито елементи са непразни крайни множества от безкванторни формули. При това една конфигурация ще удовлетворява някое от тези множества точно тогава, когато тя удовлетворява някое от множествата Γ1, , Γn. Това доказва коректността на описания метод за привеждане на безкванторна формула в дизюнктивен нормален вид в смисъл, че всеки резултат, получен по този метод, наистина е формула в дизюнктивен нормален вид, еквивалентна на онази, към която сме приложили метода.

    Пример 1. Нека θ е формулата αβ, където α и β са две различни атомарни формули. Като вземем пред вид дефинициите за еквиваленция и импликация, виждаме, че описаният по-горе итеративен процес ще трябва да започне с множеството, имащо за единствен елемент едноелементното множество

{(¬αβ)&(¬βα)}.
Като извършим разрешена стъпка, от това множество получаваме множеството, имащо за единствен елемент двуелементното множество
{¬αβ,¬βα}.
С помощта на още една разрешена стъпка можем да получим например множеството, състоящо се от множествата
{¬α,¬βα}, {β,¬βα}
(употребили сме думата "например", защото беше възможна и една друга разрешена стъпка, използваща вместо наличието на дизюнкцията ¬αβ това на дизюнкцията ¬βα). Следващата разрешена стъпка ни довежда до множество, което се състои от четирите множества
{¬α,¬β}, {¬α,α}, {β,¬β}, {β,α}.
След още една разрешена стъпка от тези четири множества остават две, а именно
{¬α,¬β}, {β,α}.
Оттук виждаме, че формулата θ е еквивалентна например на следната формула в дизюнктивен нормален вид
(¬α&¬β)(α&β)
(тук думата "например" е употребена заради свободата, която имаме да избираме реда на членовете на една конюнкция и реда на членовете на една дизюнкция).

    Направените преди малко разсъждения, с които доказахме коректността на метода, се нуждаят всъщност от едно сериозно допълване, а именно трябва още да се докаже, че той дава резултат за всяка безкванторна формула и при всеки начин на извършване на разрешени стъпки в хода на итерационния процес (в случаите, когато има избор измежду различни разрешени стъпки). За нуждите на това доказателство ние най-напред по подходящ начин ще съпоставим на всяка безкванторна формула едно положително цяло число, което ще наричаме сложност на формулата. Въпросното число ще дефинираме чрез приеманията, че атомарните формули имат сложност 1, че отрицанието на една безкванторна формула има два пъти по-голяма сложност от нея и че конюнкцията и дизюнкцията на две безкванторни формули имат сложност, която е по-голяма с единица от сбора на сложностите на двете формули. При така дадената дефиниция, освен че отрицанието на една безкванторна формула има по-голяма сложност от нея, а конюнкцията и дизюнкцията на две формули имат сложност, по-голяма от сбора на сложностите на двете формули, лесно се проверява, че за всеки две безкванторни формули φ и ψ формулите ¬(φ&ψ) и ¬ψ) имат по-голяма сложност от съответните им (в дефиницията за допустима замяна) формули ¬φ¬ψ и ¬φ&¬ψ. При това положение не е трудно да се убедим, че винаги, когато се прави допустима замяна на едно крайно множество Γ от безкванторни формули, за всяко от заменящите го множества сборът от сложностите на формулите в него, които не са литерали, е по-малък от съответния сбор за множеството Γ.

    За произволно крайно множество Γ от безкванторни формули да наречем сложност на Γ споменатия по-горе сбор, т.е. сбора от сложностите на формулите от Γ, които не са литерали. Разбира се, ако Γ е просто множество (т.е. всички формули от Γ са литерали), за този сбор ще приемем, че е равен на 0, а очевидно във всички останали случаи той е положително цяло число. Ако Γ1, , Γn, където n е положително, са крайни множества от безкванторни формули, то най-голямата измежду сложностите на тези множества ще наричаме височина на множеството 1,n}. Допълнително се уславяме, че височината на празното множество е 0. Ясно е, че когато поне едно от множествата Γ1, , Γn не е просто, височината на множеството 1,n} е положителна, и не е трудно да се съобрази, че при извършване на разрешена стъпка на итеративния процес тази височина ще намалее (това е така, защото при такава стъпка всяко от множествата с положителна сложност измежду Γ1, , Γn се заменя с множества, имащи по-малка сложност, а останалите Γi се запазват без промяна). Това обстоятелство показва, че итеративният процес непременно ще завърши след краен брой стъпки, ненадминаващ височината на множеството в началото на процеса (тази височина всъщност е равна на сложността на формулата, към която прилагаме метода).

    Забележка 1. С леко усложняване на разсъжденията може да се покаже, че коректността на метода и завършването на итеративния процес се запазват и при разрешаване още на стъпки, изразяващи се в премахване на такова измежду множествата Γ1, , Γn, на което някое същинско подмножество е също измежду тях.

    Забележка 2. Когато прилагаме описания метод към дадена безкванторна формула θ, формулите в множествата, появяващи се в хода на итеративния процес, имат само такива атомарни компоненти, които са атомарни компоненти на θ. Благодарение на това може да се твърди, че всяка безкванторна формула е еквивалентна на някоя формула в дизюнктивен нормален вид, на която атомарните компоненти са измежду атомарните компоненти на дадената формула (така е дори и в случаите, когато итеративният процес завършва с празно множество тогава дадената формула е еквивалентна на конюнкция от своя атомарна компонента и нейното отрицание). В случаите, когато итеративният процес завършва с непразно множество от прости множества (а това със сигурност става, ако формулата θ е изпълнима), в никоя от елементарните конюнкции, от които е съставена получената формула в дизюнктивен нормален вид, не ще участват едновременно атомарна формула и нейното отрицание.

    Ако при дадена безкванторна формула θ приложим описания метод към нейното отрицание ¬θ, след някакъв брой стъпки ще стигнем до краен брой прости множества, такива, че θ не е вярна точно в онези конфигурации, които удовлетворяват поне едно тези множества, и значи θ е вярна точно в онези конфигурации, които не удовлетворяват никое от тези множества. Заменяйки във въпросните множества всяка атомарна формула с нейното отрицание и всяко отрицание на атомарна формула със самата формула, ще получим такива краен брой прости множества, че θ е вярна точно в онези конфигурации, в които е вярна поне по една формула от всяко едно от тях. Ако броят на така получените множества е ненулев и за всяко от тях образуваме дизюнкция на елементитте му, то θ е еквивалентна на конюнкция от тези дизюнкции, а ако броят им е нулев, то θ е тъждествено вярна и следователно е еквивалентна на дизюнкцията на коя да е атомарна формула и нейното отрицание.

    Пример 2. Да разгледаме формулата (α&β)(β&γ)(γ&α), където α, β и γ са три различни атомарни формули. Като вземем пред вид дефиницията за тричленна дизюнкция, виждаме, че за привеждане на тази формула в конюнктивен нормален вид трябва да започнем итеративния процес с множеството, имащо за единствен елемент едноелементното множество

{¬(((α&β)(β&γ))(γ&α))}.
Като извършим разрешена стъпка, получавамe едноелементното множество с единствен елемент
{¬((α&β)(β&γ))&¬(γ&α))}.
Следващата разрешена стъпка води до едноелементното множество с единствен елемент
{¬((α&β)(β&γ)),¬(γ&α))},
от което с още една разрешена стъпка стигаме до множеството с единствен елемент
{¬(α&β)&¬(β&γ),¬γ¬α}.
Сега, правейки едната от двете възможни разрешени стъпки, получаваме множеството, на което единствен елемент е триелементното множество
{¬(α&β),¬(β&γ),¬γ¬α}.
След още две разрешени стъпки можем да стигнем до множеството с единствен елемент
{¬α¬β,¬β¬γ,¬γ¬α}.
Оттук, както лесно се проверява, три последователни разрешени стъпки ни довеждат до множество, състоящо се от четирите множества
{¬α,¬β,¬γ}, {¬α,¬β}, {¬β,¬γ}, {¬γ,¬α}.
Конфигурациите, в които не е вярна разглежданата в този пример формула, са точно онези, които удовлетворяват поне едно от получените четири множества. Понеже първото от четирите множества съдържа останалите, въпросните конфигурации всъщност са онези, които удовлетворяват поне едно от трите множества
{¬α,¬β}, {¬β,¬γ}, {¬γ,¬α}.
Следователно разглежданата формула е вярна точно в онези конфигурации, които не удовлетворяват никое от горните три множества. Това показва, че формулата е еквивалентна на следната формула в конюнктивен нормален вид
β)&(βγ)&(γα)
(всъщност еквивалентността на двете формули може да се установи по-просто без да се използва общият метод и без да се работи с отрицания можем да си послужим с някой от двата дистрибутивни закона, отнасящи се до конюнкцията и дизюнкцията).

 

Последно изменение във файла:  7 ноември 2005 г.