作业 8 · 前束范式与 Skolem 化

来源为 2024作业/作业8.docx。变量改名只在避免捕获时进行,和源答案等价。

一、判断题

判断公式

∀xP(x,y)↔¬∀yQ(x,y)\forall xP(x,y)\leftrightarrow\neg\forall yQ(x,y)

是否有如下前束范式:

∃z∃u∀y∀w((¬P(z,y)∨¬Q(x,u))∧(Q(x,y)∨P(w,y))).\exists z\exists u\forall y\forall w \bigl((\neg P(z,y)\lor\neg Q(x,u)) \land(Q(x,y)\lor P(w,y))\bigr).
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正确。先把等价消成两个蕴含的合取,再把各分支中的约束变量换成互不冲突的新名字,最后依次前移量词。

二、单项选择题

1. 不成立的量词推论

从四个候选项中选出不成立者。

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选 D:

∃x∃yQ(x,y)⊭∃xQ(x,x).\exists x\exists yQ(x,y)\not\models\exists xQ(x,x).

关系中可以存在一个非对角有序对,而所有对角对都不在关系中。

2. 错误的元逻辑说法

原题从四个有关 ⊨\models、可满足性和否定的陈述中选错误项。

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选 B。Q,¬R⊨1Q,\neg R\models1 永远成立,因为 11 在任何解释下都真,不能据此推出 Q⊨RQ\models R。用于推出 Q⊨RQ\models R 的不可满足条件应是 Q,¬R⊨0Q,\neg R\models0。

3. 错误的量词等值式

设 xx 不在 RR 中自由出现,找出错误等值式。

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选 A。一般不成立的是

∀xQ(x)→R≡∀x(Q(x)→R).\forall xQ(x)\to R \equiv \forall x(Q(x)\to R).

左侧正确移入时要把 ∀\forall 换成 ∃\exists。

三、综合题

1. 量词交换推论

证明

∃x∀yQ(x,y)⊨∀y∃xQ(x,y).\exists x\forall yQ(x,y)\models\forall y\exists xQ(x,y).
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前件给出同一个见证 aa,使任意 yy 都满足 Q(a,y)Q(a,y);后件针对每个 yy 都可选 x=ax=a。

2. 判断三个公式是否普遍有效

∃xP(x)∨∃xQ(x)→∃x(P(x)∨Q(x)),\exists xP(x)\lor\exists xQ(x)\to\exists x(P(x)\lor Q(x)), (∃xP(x)→∀xQ(x))→∀x(P(x)→Q(x)),(\exists xP(x)\to\forall xQ(x))\to\forall x(P(x)\to Q(x)), ∀x(P(x)→Q(x))→(∃xP(x)→∃xQ(x)).\forall x(P(x)\to Q(x))\to(\exists xP(x)\to\exists xQ(x)).
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三式均普遍有效。第一式把前件任一存在见证沿用到后件;第二式分“存在 PP”与“不存在 PP”两种情况;第三式把 PP 的存在见证代入全称前提即可得到 QQ 的存在见证。

3. 全称量词保持蕴含

证明

∀x(P(x)→Q(x))→(∀xP(x)→∀xQ(x))\forall x(P(x)\to Q(x))\to(\forall xP(x)\to\forall xQ(x))

普遍有效。

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若两个前提都真,则每个对象都满足 PP,且每个满足 PP 的对象满足 QQ,因此每个对象都满足 QQ。

4. 逆方向是否成立

判断

(∀xP(x)→∀xQ(x))→∀x(P(x)→Q(x))(\forall xP(x)\to\forall xQ(x))\to\forall x(P(x)\to Q(x))

的真假类型。

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它可满足但不普遍有效。取二元素论域,让 PP 只在一个对象上真、QQ 只在另一个对象上真,则 ∀xP(x)\forall xP(x) 为假,外层前件为真;但有对象满足 PP 而不满足 QQ,后件为假。

5. 化为前束范式

把

¬∀x(∃yA(x,y)→∃u∀r(B(u,r)∧∀z(A(z,u)→B(u,z))))\neg\forall x\left( \exists yA(x,y)\to \exists u\forall r\bigl(B(u,r)\land\forall z(A(z,u)\to B(u,z))\bigr) \right)

化为前束范式。

查看源答案

源答案在先改名约束变元后得到:

∃x∃y∀u∃r∃z(A(x,y)∧(¬B(u,r)∨¬(A(z,u)→B(u,z)))).\exists x\exists y\forall u\exists r\exists z \bigl(A(x,y)\land(\neg B(u,r)\lor\neg(A(z,u)\to B(u,z)))\bigr).

6. 一个较短的前束范式

把

∀xF(x)∨¬∃xG(x,y)\forall xF(x)\lor\neg\exists xG(x,y)

化为前束范式。

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先把第二个约束变量改名为 zz:

∀x∀z(F(x)∨¬G(z,y)).\forall x\forall z(F(x)\lor\neg G(z,y)).

7. Skolem 标准形

分别 Skolem 化:

∀x∃y∀u∃v(P(x,y)→Q(u,v)),\forall x\exists y\forall u\exists v(P(x,y)\to Q(u,v)), ∃y∀x∃v∀u(P(x,y)→Q(u,v)).\exists y\forall x\exists v\forall u(P(x,y)\to Q(u,v)).
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第一式的两个存在变元分别依赖此前的全称变元:

∀x∀u(P(x,f(x))→Q(u,g(x,u))).\forall x\forall u(P(x,f(x))\to Q(u,g(x,u))).

第二式最外层存在量词用新常元 aa 代替,vv 只依赖此前的 xx:

∀x∀u(P(x,a)→Q(u,g(x))).\forall x\forall u(P(x,a)\to Q(u,g(x))).

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