从形式系统的角度来看,
一阶谓词逻辑,只是比命题逻辑多添加了一些公理,
或者多添加了一些推导规则,
然而,这样的举动,却会让形式系统截然不同。
欧几里得第五公设,是一个公理,无法由前四个公设推导证明,
在原来的欧氏几何中去掉它,然后添加上不同的第五公设,就变成了不同的几何,
黎曼几何与闵可夫斯基几何。
因此,不同的公理和推导规则,构成了不同的形式系统,
哪怕是有很小的变化。
本文我们来扩充前一篇中提到的,命题逻辑形式系统,
以及,命题逻辑的自然演绎系统。
1. 一阶谓词逻辑形式系统
1.1 公理和推导规则
命题逻辑形式系统,只有三条公理,一条推导规则,
以下我们保持推导规则不变,为它添加四条公理,
这样得到的系统,我们记为。
公理:
(1)~(3)与命题逻辑形式系统相同
(4),若对在中自由出现
(5),若不在中自由出现
(6)
(7)若是的一个公理,则也为的一个公理
推导规则:
(1)与命题逻辑形式系统相同
1.2 辖域和自由出现
其中(5)和(6)中提到了“自由出现”的概念,
现在解释如下,
我们称公式中的,为量词的辖域。
变元符号在公式中的某处出现,如果是在量词的辖域内,
则称为约束出现,否则称为自由出现。
例如,,
由于的优先级比较低,上式相当于,
所以,第一个是约束出现,第二个是自由出现。
1.3 例式
上述公理(4)中,出现了,它称为公式的例式。
它表示,将中每一个自由出现的,都替换为项之后,得到的公式。
1.4 简写
我们记,
,为的简写,
,为的简写,
,为的简写,
,为的简写。
1.5 举个例子
求证:设项对变元符号在中自由,则是是一条定理。
证明:
因为,
又根据公理(4),,
所以,。
又根据公理(3),,
再根据推导规则(1),,
,
即,。
证毕。
2. 一阶谓词逻辑的自然演绎系统
上一篇中我们介绍了命题逻辑的自然演绎系统,
而且,我们知道了是与命题逻辑形式系统是等价的。
现在我们扩充,得到一阶谓词逻辑的自然演绎系统,
它与一阶谓词逻辑形式系统也是等价的。
和一样,是Hilbert-style演绎系统,
它们具有更多的公理,更少的推导规则,
而和,是Gentzen-style自然演绎(natural dedution)系统,
它们具有更少的公理,更多的推导规则。
由于是对的扩充,
下文中,我们只列出新增的公理和推导规则。
2.1 公理和推导规则
公理:
公理集仍为空集。
推导规则:
(1)~(10)与命题逻辑的自然演绎系统相同
(11)增加前提律:
(12)消去律:,对在中自由出现
(13)引入律:
(14)消去律:,不在中自由出现
(15)引入律:,对在中自由出现
2.2 举个例子
求证:
证明:
根据规则(1)包含律,
(1),
(2),
根据规则(12)消去律,
(3),
(4),
式(3)(4),根据规则(9)消去律,
(5),
式(4)(5),根据规则(13)引入律,
(6),
(7),
式(6)(7),根据规则(10)引入律,
(8)。
证毕。
3. 总结
本文介绍了两种风格的一阶谓词逻辑演算系统,
其中是Hilbert-style演绎系统,
是Gentzen-style自然演绎系统,
可以证明它们是等价的。
结合上一篇,我们已经从形式系统的角度介绍了命题逻辑和一阶谓词逻辑,
我们有了足够的基础之后,就可以给系统加上类型,
开始介绍简单类型演算了。