1-8 推理理论

在实际应用的推理中,我们常常把本门学科的一些定律、定理和条件,作为假设前提,尽管这些前提在数理逻辑中实非永真,但在推理过程中,却总是假设这些命题为 T,并使用一些公认的规则,得到另外的命题,形成结论,这种过程就是论证。

定义 1-8.1:设 A 和 C 是两个命题公式,当且仅当 A→C 为一重言式,即 A⟹C,称 C 是 A 的有效结论。或 C 可由 A 逻辑地推出。

这个定义可以推广到有 n 个前提的情况。

设 H1,H2,⋯,Hn,C 是命题公式,当且仅当

(A)H1∧H2∧⋯∧Hn⟹C

称 C 是一组前提 H1,H2,⋯,Hn 的有效结论。

判别有效结论的过程就是论证过程,论证方法千变万化,但基本方法是真值表法、直接证法和间接证法。

(1) 真值表法

设 P1,P2,⋯,Pn 是出现于前提 H1,H2,⋯,Hm 和结论 C 中全部命题变元,假定对 P1,P2,⋯,Pn 作了全部的真值指派,这样就能对应地确定 H1,H2,⋯,Hm 和 C 的所有真值,列出这个真值表,即可看出 (A) 式是否成立。

因为若从真值表上找出 H1,H2,⋯,Hm 真值均为 T 的行,对于第一个这样的行,若 C 也有真值 T,则 (A) 式成立,或者看 C 的真值为 F 的行,在每一个这样的行中,H1,H2,⋯,Hm 的真值中至少有一个为 F,则 (A) 式也成立。

例题1

一份统计表格的错误或者是由于材料不可靠,或者是由于计算有错误;这份统计表格的错误不是由于材料不可靠,所以这份统计表格是由于计算有错误。

解设各命题变元为P:统计表格的错误是由于材料不可靠。Q:统计表格的错误是由于计算有错误。本例可译为:Q是前提P∨Q,¬P的有效结论,即¬P∧(P∨Q)⟹Q

我们列出真值表 1-8.1 如下:

表 1-8.1

PQ P∨Q¬P
TTTF
TFTF
FTTT
FFFT

从表上看到只有在第三行 P∨Q 和 ¬P 的真值都为 T,这时 Q 的真值亦为 T。故

(P∨Q)∧(¬P)⟹Q

成立。

或者考察 Q 的真值为 F 的情况,在第二行和第四行,其相应的 P∨Q 或 ¬P 中至少有一真值为 F,故亦说明 (P∨Q)∧(¬P)⟹Q 成立。

例题2

如果张老师来了,这个问题可以得到解答,如果李老师来了,这个问题也可以得到解答,总之张老师或李老师来了,这个问题就可以得到解答。

解若设P:张老师来了。Q:李老师来了。R:这个问题可以得到解答。

上述语句可以翻译成下述命题关系式

(P→R)∧(Q→R)∧(P∨Q)⟹R

列出真值表 1-8.2 如下

表 1-8.2

PQR P→R Q→R P∨Q
TTTTTT
TTFFFT
TFTTTT
TFFFTT
FTTTTT
FTFTFT
FFTTTF
FFFTTF

从真值表看到, P→R, Q→R, P∨Q 的真值都为 T 的情况为第一行、第三行和第五行,而在这三行中 R 的真值均为 T。故

(P→R)∧(Q→R)∧(P∨Q)⟹R

(2) 直接证法

直接证法就是由一组前提,利用一些公认的推理规则,根据已知的等价或蕴含公式,扮演得到有效的结论。

P 规则,前提在推导过程中的任何时候都可以引入使用。

T 规则,在推导中,如果有一个或多个公式、重言蕴含着公式 S,则公式 S 可以引入推导之中。

现将常用的蕴含式和等价式列入 表 1-8.3 和 表 1-8.4 中。

表 1-8.3

编号公式
I1 P∧Q⟹P
I2 P∧Q⟹Q
I3 P⟹P∨Q
I4 Q⟹P∨Q
I5 ¬P⟹P→Q
I6 Q⟹P→Q
I7 ¬(P→Q)⟹P
I8 ¬(P→Q)⟹¬Q
I9 P,Q⟹P∧Q
I10 ¬P,P∨Q⟹Q
I11 P,P→Q⟹Q
I12 ¬Q,P→Q⟹¬P
I13 P→Q,Q→R⟹P→R
I14 P∨Q,P→R,Q→R⟹R
I15 A→B⟹(A∨C)→(B∨C)
I16 A→B⟹(A∧C)→(B∧C)

表 1-8.4

编号公式
E1 ¬¬P⟺P
E2 P∧Q⟺Q∧P
E3 P∨Q⟺Q∨P
E4 (P∧Q)∧$⟺P∧(Q∧R)
E5 (P∨Q)∨R⟺P∨(Q∨R)
E6 P∧(Q∨R)⟺(P∧Q)∨(P∧R)
E7 P∨(Q∧R)⟺(P∨Q)∧(P∨R)
E8 ¬(P∧Q)⟺¬P∨¬Q
E9 ¬(P∨Q)⟺¬P∧¬Q
E10 P∨Q⟺P
E11 P∧P⟺P
E12 R∨(P∧¬P)⟺R
E13 R∧(P∨¬P)⟺R
E14 R∨(P∨¬P)⟺T
E15 R∧(P∧¬P)⟺F
E16 P→Q⟺¬P∨Q
E17 ¬(P→Q)⟺P∧¬Q
E18 P→Q⟺¬Q→¬P
E19 P→(Q→R)⟺(P∧Q)→R
E20 P↔Q⟺(P→Q)∧(Q→P)
E21 P↔Q⟺(P∧Q)∨(¬P∧¬Q)
E22 ¬(P↔Q)⟺P↔¬Q

例题1

证明 (P∨Q)∧(P→R)∧(Q→S)⟹S∨R

证法1(1)P∨QP(2)¬P→QT(1)E(3)Q→SP(4)¬P→ST(2),(3)I(5)¬S→PT(4)E(6)P→RP(7)¬S→RT(5),(6)I(8)S∨RT(7)E证法2(1)P→RP(2)P∨Q→R∨QT(1)I(3)Q→SP(4)Q∨R→S∨RT(3)I(5)P∨Q→S∨RT(2),(4)I(6)P∨QP(7)S∨RT(5),(6)I

例题2

证明 (W∨R)→V,V→C∨S,S→U,¬C∧¬U⟹¬W

证明(1)¬C∧¬UP(2)¬UT(1)I(3)S→UP(4)¬ST(2),(3)I(5)¬CT(1)I(6)¬C∧¬ST(4),(5)I(7)¬(C∨S)T(6)E(8)¬(W∨R)→VP(9)V→(C∨S)P(10)(W∨R)→(C∨S)T(8),(9)I(11)¬(W∨R)T(7),(10)I(12)¬W∧¬RT(11)E(13)¬WT(12)I

(3) 间接证法

定义 1-8.2:假设公式 H1,H2,⋯,Hm 中的命题变元为 P1,P2,⋯,Pm,对于 P1,P2,⋯,Pn 的一些真值指派,如果能使 H1∧H2∧⋯∧Hm 的真值为 T,则称公式 H1,H2,⋯,Hm 是相容的。如果对于 P1,P2,⋯,Pn 的每一组真值指派使得 H1∧H2∧⋯∧Hm 的真值均为 F,则称公式 H1,H2,⋯,Hm 是不相容的。

现在可把不相容的概念应用于命题公式的证明。

设有一组前提 H1,H2,⋯,Hm,要推出结论 C,即证 H1∧H2∧⋯∧Hm⟹C,记作 S⟹C,即 ¬C→¬S 永为真,或 C∨¬S 为永真,故 ¬C∧S 为永假。因此要证明 H1∧H2∧⋯∧Hm⟹C,只要证明 H1,H2,⋯,Hm 与 ¬C 是不相容的。

例题3

证明 A→B,¬(B∨C) 可逻辑推出 ¬A

证明(1)A→BP(2)AP(附加前提)(3)¬(B∨C)P(4)¬B∧¬CT(3)E(5)BT(1),(2)I(6)¬BT(4)I(7)B∧¬B(矛盾)T(5),(6)I

例题4

证明 (P∨Q)∧(P→R)∧(Q→S)⟹S∨R

证明(1)¬(S∨R)P(附加前提)(2)¬S∧¬RT(1)E(3)P∨QP(4)¬P→QT(3)E(5)Q→SP(6)¬P→ST(4),(5)I(7)¬S→PT(6)E(8)(¬S∧¬R)→(P∧¬R)T(7)I(9)P∧¬RT(2),(8)I(10)P→RP(11)¬P∨RT(10)E(12)¬(P∧¬R)T(11)E(13)(P∧¬R)∧¬(P∧¬R)(矛盾)T(11)E

间接证法的另一种情况是:若要证 H1∧H2∧⋯∧Hm⟹(R→C)。设 H1∧H2∧⋯∧Hm 为 S,即证 S⟹(R→C) 或 S⟹(¬R∨C),故 S→(¬R∨C) 为永真式。因为 S→(¬R∨C)⟺¬S∨(¬R∨C)⟺(¬S∨¬R)∨C⟺¬(S∧R)∨C⟺(S∧R)→C,所以若将 R 作附加前提,如有 (S∧R)⟹C,即证得 S⟹(R→C)。由 (S∧R)⟹C,证得 S⟹(R→C) 称为 CP 规则。

例题5

证明 A→(B→C),¬D∨A,B 重言蕴含 D→C

证明(1)DP(附加前提)(2)¬D∨AP(3)AT(1),(2)I(4)A→(B→C)P(5)B→CT(3),(4)I(6)BP(7)CT(5),(6)I(8)D→CCP

例题6

设有下列情况,结论是否有效?

(a) 或者是天晴,或者是下雨。

(b) 如果是天晴,我去看电影。

(c) 如果我去看电影,我就不看书。

结论:如果我在看书则天在下雨。

解若设M:天晴。Q:下雨。S:我看电影。R:我看书。故本题即证:M∨―Q,M→S,S→¬R,推出R→Q因为(M∨―Q)⟺¬(M↔Q)(1)RP(附加前提)(2)S→¬RP(3)R→¬ST(2)E(4)¬ST(1)(3)I(5)M→SP(6)¬MT(4),(5)I(7)¬(M↔Q)P(8)M¬¬QT(7)E(9)(M→¬Q)∧(¬Q→M)T(8)E(10)¬Q→MT(9)I(11)¬M→QT(10)E(12)QT(6),(11)I(13)R→QCP