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⋯
的方式进行运作. 若有某个系统 S,如果对于某一认知公式 φ,存在上述从公理出发的推导,那就称 φ 是可证的,记为 S⊢φ. 其中最基本的公理系统就是 K 系统,或者依照认知主体的个数不同称为 Km 系统. 以下是 K 系统的公理:
- 所有的命题重言式,也就是命题逻辑的公理.(A1)
- K 公理:(Kiφ∧Ki(φ→ψ))→Kiψ.(A2)
有两条规则:
- 分离规则:ψφ φ→ψ.(R1)
- 必然化规则:⊢Kiφ⊢φ.(R2)
其后所有的公理系统 S 都包含 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 2.1 当 S⊢φ 时:
- 如果 S⊬¬φ,就称 φ 是一致的。
- 如果 φ1∧φ2∧⋯∧φk 是一致的,则称有限集 {φ1,φ2,⋯,φk} 是一致的。
- 如果认知公式无限集 Φ 的任意有限子集是一致的,那么 Φ 是一致的.
- Φ 是一致的且对于任意认知公式 ψ∈/Φ,Φ∪{ψ} 不是一致的,那么就称 Φ 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
- 每个一致的公式集能扩展为最大一致公式集。
- 设 Φ 为一个最大一致公式集,那么对于所有 φ,ψ 有:
- 要么 φ∈Φ,要么 ¬φ∈Φ.
- φ∧ψ∈Φ⟺φ∈Φ,ψ∈Φ.
- 如果 φ∈Φ 且 φ→ψ 则 ψ∈Φ.
- 记该公理系统为 S,如果 S⊢φ,则 φ∈Φ.
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}⟩.
- 注意到 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 Sc 就定义为所有这些状态的集合。记 Θ 为其中某个最大一致公式集,对应的状态称之为 sΘ.
- πsΘc(p)={⊤,⊥,p∈Θp∈/Θ
- 定义 Θ/Ki={φ∣Kiφ∈Θ}. 于是定义 Ric={(sΘ,sΨ)∣Θ/Ki⊆Ψ},其等价定义为 ∀φ:Kiφ∈Θ⇒φ∈Ψ.
引理 2.2 对于任意最大一致公式集 Θ 有 ∀φ:(Mc,sΘ)⊨φ⟺φ∈Θ.
证明
- 如果 φ∈P,也就是说 φ 是原子命题,由于 (Mc,sΘ)⊨φ,所以 πsΘc(φ)=⊤,即,φ∈Θ.
- 如果 φ=φ1∧φ2,据 (Mc,sΘ)⊨φ1∧φ2 有 (Mc,sΘ)⊨φ1,(Mc,sΘ)⊨φ2,显然有 φ1∈Θ,φ2∈Θ,再根据引理 2.1.2 即得 φ1∧φ2∈Θ.
- 如果 φ=¬ψ,同理有 ¬ψ∈Θ.
- 如果 φ=Kiψ:
- (⇐)由于 Kiψ∈Θ,按照定义有 ψ∈Θ/Ki. 按照定义,(sΘ,sΨ)∈Ric,于是就有 ψ∈Θ/Ki⊆Ψ,所以 (Mc,sΨ)⊨ψ. 也就是说,任何可达关系 (sΘ,sΨ)∈Ric 都能导出 (Mc,sΨ)⊨ψ,于是就有 (Mc,sΘ)⊨Kiψ.
- (⇒)假设 (Mc,sΘ)⊨Kiψ. 可以声称 (Θ/Ki)∪{¬ψ} 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,由于 Θ/Ki⊆(Θ/Ki)∪{¬ψ}⊆Ψ,显然 ¬ψ∈Ψ. 有 (Mc,sΨ)⊨¬ψ,由于 (sΘ,sΨ)∈Ric,于是根据定义 2.2 有 (Mc,sΘ)⊨¬Kiψ,这显然和声称矛盾. 那么,取 (Mc,sΘ)⊨Kiψ 的某个非一致子集 {φ1,φ2,⋯,φk,¬ψ} 就有 ⊢¬(φ1∧φ2∧⋯∧φk∧¬ψ). 这意味着
⊢φ1→(φ2→(⋯(φk→ψ)⋯))
根据必然化规则,可以导出:⊢Ki(φ1→(φ2→(⋯(φk→ψ)⋯)))
根据引理 2.1 有:Ki(φ1→(φ2→(⋯(φk→ψ)⋯)))∈Θ
由于 φ1,φ2,⋯,φk∈Θ/Ki,那么显然有Kiφ1,Kiφ2,⋯,Kiφk∈Θ
记 ξ=φ2→(⋯(φk→ψ)⋯) 根据 K 公理有:⊢Kiφ1→(Ki(φ1→ξ)→Kiξ)
由于 Θ 包含所有定理,就有:Kiφ1→(Ki(φ1→ξ)→Kiξ)∈Θ
最大一致公式集按照定义对蕴含封闭,于是导出 Kiξ∈Θ,递归证明可得 Kiψ∈Θ.
回顾最开始提及的 K 系统. 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 则 ⊨Kiφ,这是成立的。但是,如果按照在命题逻辑中推导的习惯导出 ⊨φ→Kiφ 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 φ⊢ψ⟺⊨φ→ψ,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 的真值是在某一世界上的,而 Kiφ 的真值则依赖所有可能世界上 φ 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,⊨φ→Kiφ 也就因此不可能成立. 从 ⊨φ 推出 ⊨Kiφ 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 推出 ⊢Kiφ 也是可以的——在同一公理系统中,Kiφ 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 是一个认知公式的公理系统,M 是一类 Kripke 模型:
- 如果 S⊢φ⟹M⊨φ,就称 S 对于 M 是可靠的.
- 如果 M⊨φ⟹S⊢φ,则称 S 对于 M 是完备的.
设公共的认知主体集为 A,所有定义在此认知主体集上的 Kripke 模型构成的类为 KA,可以证明 KA 系统对于 KA 是可靠且完备的。
可靠性几乎是显然的,而对于完备性,KA⊨φ⟹Km⊢φ 可以化为 KA⊬¬φ⟹∃w⊨φ,显然前者表示一致公式,也就是说只要一致公式都能在 KA 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 2.1 设 Θ 是一个认知公式集,那么 Θ 是一致的 ⟺ Θ 是可满足的.