10.2. Приведение формул к стандартной форме

10.2. Приведение формул к стандартной форме

Как было показано в предыдущем разделе, формулы исчисления предикатов, записанные с использованием связок -› (импликация) и ‹-› (эквивалентность), могут быть переписаны лишь с использованием связок& (конъюнкция), # (дизъюнкция) и ~ (отрицание). В действительности, существует множество разных форм записи формул, и мы ни в коей мере не принесли бы в жертву выразительность формул, если бы должны были полностью отказаться от использования, например, #, -›, ‹-› и exists(X, P). Как следствие этой избыточности, существуют много различных способов записи одного и того же высказывания. При необходимости выполнять формальные преобразования формул исчисления предикатов это оказывается очень неудобным. Было бы значительно лучше, если бы все, что мы хотим сказать, можно было выразить единственным способом. Поэтому здесь будет рассмотрен способ преобразования формул исчисления предикатов к специальному виду – стандартной форме, - обладающему тем свойством, что число различных способов записи одного и того же утверждения меньше по сравнению с использованием других форм. В действительности будет показано, что высказывание исчисления предикатов, представленное в стандартной форме, очень похоже на некоторое множество утверждений языка Пролог. Так что исследование стандартной формы имеет существенное значение для понимания связи между Прологом и математической логикой. В приложении В будет коротко описана программа на Прологе, автоматически транслирующая формулы исчисления предикатов в стандартную форму.

Процесс приведения формулы исчисления предикатов к стандартной форме состоит из шести основных этапов.

Этап 1 - исключение импликаций и зквивалентностей

Процедура начинается с замены всех вхождений -› и ‹-› в соответствии с их определениями, данными в разд. 10.1. Так, например, формула

аll(Х,мужчина(Х) -› человек(Х))

будет преобразована в формулу

аll(Х,~мужчина(Х) # человек(Х))

Этап 2 - перенос отрицания внутрь формулы

На этом этапе обрабатываются случаи применения отрицания к формулам, не являющимся атомарными. Если такой случай имеет место, то формула переписывается по соответствующим правилам. Так, например, формула

~(человек (цезарь)& существующий (цезарь))

преобразуется в

~человек(цезарь) # существующий (цезарь)

а

~аll(Х, человек (X))

преобразуется в

exists(Х,~человек(Х))

Преобразования, выполняемые на втором этапе, основаны на следующих фактах:

~(?&?) значит то же самое, что и (~?) # (~?)

~exists(?,?) значит то же самое, что и all(?,~?)

~all(?,?) значит то же самое, что и exists(?,~?)

После завершения второго этапа каждое вхождение отрицания в формулу будет относиться лишь к атомарным подформулам. Атомарная формула или ее отрицание называется литералом. На всех последующих этапах литералы обрабатываются как единый элемент, а то, какие литералы представлены отрицанием, будет существенным лишь в самом конце.

Этап 3 - сколемизация

На следующем этапе удаляются кванторы существования. Это делается путем введения новых констант – сколемовских констант - вместо переменных связанных (введенных) квантором существования. Вместо того чтобы говорить, что существует объект, обладающий некоторым множеством свойств, можно ввести имя для такого объекта и просто сказать, что он обладает данными свойствами. Это соображение лежит в основе введения сколемовских констант. Сколемизация более существенно изменяет логические свойства формулы, чем все обсуждавшиеся ранее преобразования. Тем не менее, она обладает следующим важным свойством. Если имеется формула, то интерпретация, в которой эта формула истинна, существует тогда и только тогда, когда существует интерпретация, в которой истинна формула, полученная из первой в результате сколемизации. Такая форма эквивалентности формул вполне достаточна для наших целей. Так, например, формула

exists(X,женщина(X)& мать(Х,ева))

в результате сколемизации преобразуется в формулу

женщина(g1)& мать(g1, ева)

где g1 – некоторая новая константа, не использовавшаяся ранее. Константа g1 представляет некоторую женщину, мать которой есть Ева. То, что для обозначения константы использован символ» отличный от использовавшихся ранее, существенно, так как в высказывании ничего не говорится о том, что какой-то конкретный человек является дочерью Евы. В утверждении говорится лишь о том, что такой человек существует. Может оказаться, что g1 будет соответствовать тот же самый человек, который соответствует другой константе, но это уже дополнительная информация, никак не выраженная в высказывании.

Если формула содержит кванторы общности, то процедура сколемизации уже не столь проста. Например, если в формуле ^[17]

аll(Х, человек(Х) -› exists(Y,мать(X,Y)))

(«каждый человек имеет мать») заменить каждое вхождение переменной V, связанной квантором существования, на константу g2 и удалить квантор существования, то получится:

all(X, человек(Х) -› мать(X,g2))

Последнее высказывание говорит о том, что все люди имеют одну и ту же мать, обозначенную в формуле константой g2. Если в формуле есть переменные, введенные посредством кванторов общности, то при сколемизации необходимо вводить не константы, а составные термы (функциональные символы с множеством переменных аргументов) для того, чтобы отразить, как объект, о существовании которого идет речь, зависит от того, что обозначают переменные. Таким образом, при сколемизации предыдущего примера должно получиться

all(X, человек(Х) -› мать(Х, g2(Х)))

В этом случае функциональный символ g2 соответствует функции, которая каждому конкретному человеку ставит в соответствие его мать.

Этап 4 - вынесение кванторов общности в начало формулы

Этот этап очень прост. Каждый квантор общности просто выносится в начало формулы. Это не влияет на значение формулы. Так, например, формула

all(X, мужчина(Х) -› аll(Y,женщина(Y) -› нравится (X,Y)))

преобразуется в

аll(Х, аll(Y,мужчина(Х) -› (женщина(Y) -› нравится (X,Y))))

Так как теперь каждая переменная в этой формуле вводится посредством квантора общности, находящегося в начале формулы, то кванторы сами по себе не несут больше какой-либо дополнительной информации. Поэтому можно сократить формулу, опустив кванторы. Необходимо лишь помнить, что каждая переменная вводится посредством не указанного явно квантора, который опущен при записи формулы. Таким образом, формулу

аll(Х,живой(Х) # мертвый(Х)& аll(Y,нравится(мэри,Y) #грязный(Y))

теперь можно представить так:

(живой(Х) # мертвый(Х))& (нравится(мэри,Y) # грязный (Y))

Эта формула значит, что, какие бы X и Y ни были выбраны, либо X живой, либо X мертвый, и либо Мэри нравится Y, либо Y – грязный.

Этап 5 - использование дистрибутивных законов для & и #

На этом этапе исходная формула исчисления предикатов претерпела довольно много изменений. Формула больше не содержит в явном виде кванторов, а из логических связок в ней остались лишь & и # (помимо отрицания, входящего в состав литералов). Теперь формула преобразуется к специальному виду - конъюнктивной нормальной форме, характерной тем, что дизъюнктивные члены формулы не содержат внутри себя конъюнкцию. Таким образом, формулу можно преобразовать к такому виду, когда она будет представлять последовательность элементов, соединенных друг с другом конъюнкциями, а каждый элемент является либо литералом, либо состоит из нескольких литералов, соединенных дизъюнкцией. Чтобы привести формулу к такому виду, необходимо использовать следующие два тождества:

(А&В) # С эквивалентно (А # С)&(В # С)

А # (В&С) эквивалентно (А # В)&(А # С)

Так, например, формула:

выходной(Х) # (работает(крис, X) & (сердитый (крис) # унылый(крис)))

(Для каждого X либо X – выходной день, либо Крис работает в день X и при этом он либо сердитый, либо унылый) эквивалентна следующей:

выходной(Х) # (работает(крис,Х)) & (выходной(Х) # (сердитый(крис) # унылый(крис)))

(Для каждого X, во-первых, X является выходным днем или Крис работает в день X; во-вторых, либо X – выходной день, либо Крис сердитый или унылый).

Этап 6 - выделение множества дизъюнктов

Формула, имеющаяся к началу этого этапа, в общем случае представляет совокупность конъюнктивных членов, являющихся литералами или состоящих из литералов, соединенных дизъюнкцией. Давайте сначала рассмотрим структуру формулы на верхнем уровне, не вникая в детали организации конъюнктивных членов. Формула могла бы иметь, например, следующий вид:

(А & В) & (С & (D & Е))

где переменные обозначают, возможно, сложные высказывания (формулы), но при этом они не содержат внутри конъюнкций. На данном этапе нет никакой необходимости знать структуру вложенности, представляемую использованием скобок, так как все высказывания

(А & В) & (С & (D & Е)) А & (( В& С) & (D & Е)) (А & В) & ((С & D) & Е)

обозначают одно и то же. И хотя структурно эти формулы различны, они имеют один и тот же смысл. Это объясняется тем, что если установлена истинность всех высказываний из некоторого множества, то не имеет значения каким образом они группируются в сложное конъюнктивное высказывание. Не имеет значения, например, как сказать «А истинно и В и С также истинны» или «А и В истинны и С тоже истинно». Следовательно, скобки никак не влияют на смысл формулы. Можно просто написать (неформально):

A & B & C & D & E

Далее, порядок записи этих формул также не имеет значения. Безразлично, как сказать: «А и В истинны» или «В и А истинны», так как оба эти высказывания имеют одно и то же значение. И наконец, нет необходимости указывать знак конъюнкции (&) между формулами, так как заранее известно, что на верхнем уровне формула является конъюнкцией составляющих ее частей. Поэтому, в действительности, значение представленной формулы можно выразить значительно короче, представив ее в виде совокупности {А, В, С, D, Е}. Название «совокупность» подчеркивает, что порядок элементов не имеет значения. Совокупность {А, В, С, D, Е} в точности то же самое, что и {В, А, С, Е, D}, {Е, D, В, С, А} и так далее. Формулы, являющиеся элементами совокупности, полученной в результате преобразования некоторой формулы исчисления предикатов, называются дизъюнктами. Таким образом, каждая формула исчисления предикатов эквивалентна (в некотором смысле) совокупности дизъюнктов.

Давайте рассмотрим несколько подробнее, что представляют собой эти дизъюнкты. Как уже было сказано, они состоят из литералов, соединенных друг с другом с помощью дизъюнкции. В общем случае, дизъюнкт выглядит примерно так:

((V # W) # X) # (Y # Z)

где переменные являются литералами. Теперь те же самые рассуждения, которые были сделаны о структуре формулы на верхнем уровне, можно применить к дизъюнктам. Как и выше, скобки не влияют на значение дизъюнкта. Точно так же несуществен и порядок литералов. Таким образом, можно просто сказать, что дизъюнкт – это совокупность литералов (неявно соединенных дизъюнкцией). В последнем примере это будет {V, W, X, Y, Z}

Теперь исходная формула представлена в стандартной форме. Более того, использовавшиеся для преобразования правила не зависят от того, существует или нет интерпретация, при которой формула истинна. Стандартная форма состоит из совокупности дизъюнктов, каждый из которых представляет совокупность литералов. Литерал – это либо атомарная формула, либо отрицание атомарной формулы. Эта форма является достаточно лаконичной, так как в ней опущены логические связки конъюнкций, дизъюнкций и кванторы всеобщности. Но при этом, очевидно, следует помнить о принятых соглашениях. И каждый раз, имея дело со стандартной формой, понимать, где и что в ней опущено. Рассмотрим, что представляет собой стандартная форма некоторых формул (предполагается, что уже выполнены первые пять этапов преобразования). Прежде всего вернемся к уже рассматривавшемуся примеру:

(выходной(Х) # работает(крис,Х)) & (выходной(Х) # (сердитый(крис) # унылый(крис)))

Эта формула порождает два дизъюнкта. Первый дизъюнкт содержит литералы:

выходной(Х), работает(крис,Х)

а второй литералы:

выходной(Х), сердитый(крис), унылый(крис)

Другой пример. Формула

(человек(адам)& человек(ева))&

((человек(Х) # ~мать(Х,Y)) # ~человек(#))

дает три дизъюнкта. Два из них содержат по одному литералу каждый

человек (адам)

и

человек (ева)

Другой содержит три литерала:

человек(Х), ~мать(Х,Y), ~человек(Y)

В заключении этого раздела рассмотрим еще один пример, демонстрирующий все этапы приведения формулы к стандартному виду. Начнем с формулы

all(X, аll(Y,человек(Y) -› почитает(Y,Х) -› король(Х))

утверждающей, что, если все люди относятся с почтением к некоторому человеку, то этот человек является королем. (Для каждого X, если каждый Y является человеком, почитающим X, то X – это король). После устранения импликации (этап 1) получаем:

аll(Х,~(аll(Y,~человек(Y) # почитает(Y,Х))) # король(Х))

Перенос отрицания внутрь формулы (этап 2) приводит к следующему:

аll(Х,ехists(Y,человек(Y) & ~почитает(Y,Х)) # король(Х))

Затем, в результате сколемизации (этап 3) формула преобразуется к виду:

аll(Х,(человек(f1(Х)) & ~почитает(f1Х),Х)) # король(Х))

где f1 -сколемовская функция. Теперь производится удаление кванторов всеобщности (этап 4), что приводит к формуле;

(человек(f1(X)) & ~почитает(f1(Х),X)) # король(Х)

Затем формула преобразуется к конъюнктивной нормальной форме (этап 5), в которой конъюнкция не появляется внутри дизъюнктов:

(человек(f1(Х) # король(Х)) & (~почитает(f1(Х), X) # король(Х))

Эта формула содержит два дизъюнкта (этап 6). Первый дизъюнкт имеет два литерала:

человек(f1(Х)), король(Х)

а второй дизъюнкт имеет литералы:

почитает(f1(Х),Х), король(Х)