认知逻辑笔记2:基本知道逻辑系统
Yi Fan

在构建了关于知识的逻辑语言的基础之上,就需要构建基本的公理和规则,然后就形成所谓的系统。前述的关于知识的逻辑语言只是一种质料,要进行推演就必须要借助于系统,以

公理规则定理A规则定理B规则\text{公理}\xrightarrow{\text{规则}}\text{定理A}\xrightarrow{\text{规则}}\text{定理B}\xrightarrow{\text{规则}}\cdots

的方式进行运作. 若有某个系统 S\mathfrak{S},如果对于某一认知公式 φ\varphi,存在上述从公理出发的推导,那就称 φ\varphi 是可证的,记为 Sφ\mathfrak{S}\vdash\varphi. 其中最基本的公理系统就是 K\mathbf{K} 系统,或者依照认知主体的个数不同称为 Km\mathbf{K}_m 系统. 以下是 K\mathbf{K} 系统的公理:

  1. 所有的命题重言式,也就是命题逻辑的公理.(A1)
  2. K\mathbf{K} 公理:(KiφKi(φψ))Kiψ(K_i\varphi\wedge K_i(\varphi\to\psi))\to K_i\psi.(A2)

有两条规则:

  1. 分离规则:φ φψψ\frac{\varphi\space\varphi\to\psi}{\psi}.(R1)
  2. 必然化规则:φKiφ\frac{\vdash\varphi}{\vdash K_i\varphi}.(R2)

其后所有的公理系统 S\mathfrak{S} 都包含 K\mathbf{K} 系统的公理和规则. 在详细叙述这一系统前这里我们先导入如下关于一致性的定义:

定义 2.1Sφ\mathfrak{S}\vdash\varphi 时:

  1. 如果 S¬φ\mathfrak{S}\nvdash\neg\varphi,就称 φ\varphi 是一致的。
  2. 如果 φ1φ2φk\varphi_1\wedge\varphi_2\wedge\cdots\wedge\varphi_k 是一致的,则称有限集 {φ1,φ2,,φk}\{\varphi_1,\varphi_2,\cdots,\varphi_k\} 是一致的。
  3. 如果认知公式无限集 Φ\Phi 的任意有限子集是一致的,那么 Φ\Phi 是一致的.
  4. Φ\Phi 是一致的且对于任意认知公式 ψΦ\psi\notin\PhiΦ{ψ}\Phi\cup\{\psi\} 不是一致的,那么就称 Φ\Phi 为最大一致的。

于是在某个认知公式的公理系统中,应用一致性定义有如下引理:

引理 2.1

  1. 每个一致的公式集能扩展为最大一致公式集。
  2. Φ\Phi 为一个最大一致公式集,那么对于所有 φ,ψ\varphi,\psi 有:
    1. 要么 φΦ\varphi\in\Phi,要么 ¬φΦ\neg\varphi\in\Phi.
    2. φψΦ    φΦ,ψΦ\varphi\wedge\psi\in\Phi\iff\varphi\in\Phi, \psi\in\Phi.
    3. 如果 φΦ\varphi\in\Phiφψ\varphi\to\psiψΦ\psi\in\Phi.
    4. 记该公理系统为 S\mathfrak{S},如果 Sφ\mathfrak{S}\vdash\varphi,则 φΦ\varphi\in\Phi.

借助于上述一致性的定义,可以给出典范 Kripke 模型的定义:

定义 2.2 典范 Kripke 模型定义为:Mc=Sc,πc,{R1c,R2c,,Rmc}\mathbb{M}^c=\langle S^c,\pi^c,\{R_1^c,R_2^c,\cdots,R_m^c\}\rangle.

  1. 注意到 M\mathbb{M} 中的最大一致公式集并不唯一,将每个最大一致公式集看作是一个状态,因此 ScS^c 就定义为所有这些状态的集合。记 Θ\Theta 为其中某个最大一致公式集,对应的状态称之为 sΘs_\Theta.
  2. πsΘc(p)={,pΘ,pΘ\pi^c_{s_\Theta}(p)=\begin{cases} \top, & p\in\Theta \\ \bot, & p\notin\Theta \end{cases}
  3. 定义 Θ/Ki={φKiφΘ}\Theta/K_i=\{\varphi|K_i\varphi\in\Theta\}. 于是定义 Ric={(sΘ,sΨ)Θ/KiΨ}R_i^c=\{(s_\Theta,s_\Psi)|\Theta/K_i\subseteq\Psi\},其等价定义为 φ:KiφΘφΨ\forall\varphi:K_i\varphi\in\Theta\Rightarrow\varphi\in\Psi.

引理 2.2 对于任意最大一致公式集 Θ\Thetaφ:(Mc,sΘ)φ    φΘ\forall\varphi:(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash\varphi\iff\varphi\in\Theta.

证明

  1. 如果 φP\varphi\in\mathbf{P},也就是说 φ\varphi 是原子命题,由于 (Mc,sΘ)φ(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash\varphi,所以 πsΘc(φ)=\pi^c_{s_\Theta}(\varphi)=\top,即,φΘ\varphi\in\Theta.
  2. 如果 φ=φ1φ2\varphi=\varphi_1\wedge\varphi_2,据 (Mc,sΘ)φ1φ2(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash\varphi_1\wedge\varphi_2(Mc,sΘ)φ1,(Mc,sΘ)φ2(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash\varphi_1,(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash\varphi_2,显然有 φ1Θ,φ2Θ\varphi_1\in\Theta,\varphi_2\in\Theta,再根据引理 2.1.2 即得 φ1φ2Θ\varphi_1\wedge\varphi_2\in\Theta.
  3. 如果 φ=¬ψ\varphi=\neg\psi,同理有 ¬ψΘ\neg\psi\in\Theta.
  4. 如果 φ=Kiψ\varphi=K_i\psi
    1. \Leftarrow)由于 KiψΘK_i\psi\in\Theta,按照定义有 ψΘ/Ki\psi\in\Theta/K_i. 按照定义,(sΘ,sΨ)Ric(s_\Theta,s_\Psi)\in R_i^c,于是就有 ψΘ/KiΨ\psi\in\Theta/K_i\subseteq\Psi,所以 (Mc,sΨ)ψ(\mathbb{M}^c,s_\Psi)\vDash\psi. 也就是说,任何可达关系 (sΘ,sΨ)Ric(s_\Theta,s_\Psi)\in R_i^c 都能导出 (Mc,sΨ)ψ(\mathbb{M}^c,s_\Psi)\vDash\psi,于是就有 (Mc,sΘ)Kiψ(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash K_i\psi.
    2. \Rightarrow)假设 (Mc,sΘ)Kiψ(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash K_i\psi. 可以声称 (Θ/Ki){¬ψ}(\Theta/K_i)\cup\{\neg\psi\} 不是一致的. 假若一致,那么根据引理 2.1 就存在一个最大一致扩展集 Ψ\Psi,由于 Θ/Ki(Θ/Ki){¬ψ}Ψ\Theta/K_i\subseteq(\Theta/K_i)\cup\{\neg\psi\}\subseteq\Psi,显然 ¬ψΨ\neg\psi\in\Psi. 有 (Mc,sΨ)¬ψ(\mathbb{M}^c,s_\Psi)\vDash\neg\psi,由于 (sΘ,sΨ)Ric(s_\Theta,s_\Psi)\in R_i^c,于是根据定义 2.2 有 (Mc,sΘ)¬Kiψ(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash\neg K_i\psi,这显然和声称矛盾. 那么,取 (Mc,sΘ)Kiψ(\mathbb{M}^c,s_\Theta)\vDash K_i\psi 的某个非一致子集 {φ1,φ2,,φk,¬ψ}\{\varphi_1,\varphi_2,\cdots,\varphi_k,\neg\psi\} 就有 ¬(φ1φ2φk¬ψ)\vdash\neg(\varphi_1\wedge\varphi_2\wedge\cdots\wedge\varphi_k\wedge\neg\psi). 这意味着

      φ1(φ2((φkψ)))\vdash\varphi_1\to(\varphi_2\to(\cdots(\varphi_k\to\psi)\cdots))

      根据必然化规则,可以导出:

      Ki(φ1(φ2((φkψ))))\vdash K_i(\varphi_1\to(\varphi_2\to(\cdots(\varphi_k\to\psi)\cdots)))

      根据引理 2.1 有:

      Ki(φ1(φ2((φkψ))))ΘK_i(\varphi_1\to(\varphi_2\to(\cdots(\varphi_k\to\psi)\cdots)))\in\Theta

      由于 φ1,φ2,,φkΘ/Ki\varphi_1,\varphi_2,\cdots,\varphi_k\in\Theta/K_i,那么显然有

      Kiφ1,Kiφ2,,KiφkΘK_i\varphi_1,K_i\varphi_2,\cdots,K_i\varphi_k\in\Theta

      ξ=φ2((φkψ))\xi=\varphi_2\to(\cdots(\varphi_k\to\psi)\cdots) 根据 K\mathbf{K} 公理有:

      Kiφ1(Ki(φ1ξ)Kiξ)\vdash K_i\varphi_1\to(K_i(\varphi_1\to\xi)\to K_i\xi)

      由于 Θ\Theta 包含所有定理,就有:

      Kiφ1(Ki(φ1ξ)Kiξ)ΘK_i\varphi_1\to(K_i(\varphi_1\to\xi)\to K_i\xi)\in\Theta

      最大一致公式集按照定义对蕴含封闭,于是导出 KiξΘK_i\xi\in\Theta,递归证明可得 KiψΘK_i\psi\in\Theta.

回顾最开始提及的 K\mathbf{K} 系统. K\mathbf{K} 公理表示,任何一个认知主体的知识在经典逻辑推论中是封闭的,这是相当自然的,而且在性质 1.1 中也已证明. 至于必然化规则,这个规则是从一个有效公式到另一个有效公式的推导,即若 φ\vDash\varphiKiφ\vDash K_i\varphi,这是成立的。但是,如果按照在命题逻辑中推导的习惯导出 φKiφ\vDash\varphi\to K_i\varphi 则是不成立的。

为什么我们会下意识觉得这种推导成立?这是因为我们往往会有这样一个推导概念,即 φψ    φψ\varphi\vdash\psi\iff\vDash\varphi\to\psi,这在命题逻辑中是成立的,然而正如我们在性质 1.1 中所证明的,这在认知逻辑中不成立,这是因为认知逻辑引入的可能世界使得原来的“一知俱知”的假设被打破了. 的确,目前我们构建的系统仍然非常理想,我们假设每个认知主体都能瞬间完成证明,知道自己应该知道的,但无论如何,可能世界都给出了一定的限制,这种限制就在必然化规则中表现出来.

应该注意到,φ\varphi 的真值是在某一世界上的,而 KiφK_i\varphi 的真值则依赖所有可能世界上 φ\varphi 的真值,存在显著的信息不对等,而依据推演的基本性质,推演从不产生整个推演链条开端的那个公理集之外的新的知识,φKiφ\vDash\varphi\to K_i\varphi 也就因此不可能成立. 从 φ\vDash\varphi 推出 Kiφ\vDash K_i\varphi 显然满足了信息对等的基本要求,另外将必然化规则表达为从 φ\vdash\varphi 推出 Kiφ\vdash K_i\varphi 也是可以的——在同一公理系统中,KiφK_i\varphi 显然没有要求更多的知识了.

随即我们要再引入如下定义:

定义 2.3 假设 S\mathfrak{S} 是一个认知公式的公理系统,M\mathcal{M} 是一类 Kripke 模型:

  1. 如果 Sφ    Mφ\mathfrak{S}\vdash\varphi\implies \mathcal{M}\vDash\varphi,就称 S\mathfrak{S} 对于 M\mathcal{M} 是可靠的.
  2. 如果 Mφ    Sφ\mathcal{M}\vDash\varphi\implies \mathfrak{S}\vdash\varphi,则称 S\mathfrak{S} 对于 M\mathcal{M} 是完备的.

设公共的认知主体集为 AA,所有定义在此认知主体集上的 Kripke 模型构成的类为 KA\mathcal{K}^A,可以证明 KA\mathbf{K}^A 系统对于 KA\mathcal{K}^A 是可靠且完备的。

可靠性几乎是显然的,而对于完备性,KAφ    Kmφ\mathcal{K}^A\vDash\varphi\implies \mathbf{K}_m\vdash\varphi 可以化为 KA¬φ    wφ\mathbf{K}^A\nvdash\neg\varphi\implies\exist w\vDash\varphi,显然前者表示一致公式,也就是说只要一致公式都能在 KA\mathcal{K}^A 中找到一个世界得到满足,完备性就得证了. 对此命题进行加强,只要所有一致公式集可满足即可. 依据引理 2.1,将这些一致公式集扩展为最大一致公式集,于是就可以借典范 Kripke 模型解决. 取这些最大一致公式集构造典范 Kripke 模型,依据引理 2.2,这些一致公式都可满足。于是显然就有如下定理:

定理 2.1Θ\Theta 是一个认知公式集,那么 Θ\Theta 是一致的     \iff Θ\Theta 是可满足的.