全称量化

更新时间:2023-12-26 23:41

谓词逻辑中,全称量化是尝试形式化某个事物(逻辑谓词)对于所有事物或所有有关的事物都为真的概念。结果的陈述是全称量化后的陈述,我们在谓词上有了全称量化。

概念

谓词逻辑中,全称量化是尝试形式化某个事物(逻辑谓词)对于所有事物或所有有关的事物都为真的概念。结果的陈述是全称量化后的陈述,我们在谓词上有了全称量化。

基础理论

假设你要说的是

2·0 = 0 + 0,以及 2·1 = 1 + 1,以及 2·2 = 2 + 2,等等。

由于“以及”一词的重复使用,这似乎是一个逻辑合取。然而形式逻辑中的合取概念却不能表达出“等等”一词的含义。因此将该命题改述为

对任意自然数 n,都存在 2·n = n + n。

这便是一个使用全称量化的单一命题。

请注意,事实上该命题比原命题更精确。很明显,“等等”一词表示的是要包括所有的自然数、且除此之外不包括任何其它内容,但语言中并没有明确地陈述这点,这便是“等等”一词不能被形式地解释的根本原因。

这个特定的例子中的命题是真值的,因为可以对 n 取任何自然数都使命题“2·n = n + n”成立。反之,命题“对任何自然数 n,都有 2·n > 2 + n”则是假值的,因为举例来说,将其中的 n 用 1 来取代,就能得到假命题“2·1 > 2 + 1”。尽管对“大多数”自然数 n 来说,命题“2·n > 2 + n”都成立,但只要存在一个反例便足以举证该全称命题为假。

另一方面,“对任何合数n,都有 2·n > 2 + n”是真命题,因为所有的反例均不是合数。这说明了论域的重要性,其指定了 n 可以取哪些值。然而特别地须注意,如欲将论域限定为仅由满足一特定谓词的对象组成时,则对全称量化来说,要使用一个逻辑条件来实现。例如,命题“对任何合数 n,都有“2·n > 2 + n”是逻辑等价于命题“对任何自然数 n,如果 n 为合数,则 2·n >2 + n”的。这里的“如果……则”结构指出了逻辑的条件限制。

在符号逻辑中,我们使用全称量词“∀”(一个倒置的无衬线体字母“A”)来说明全称量化。从而,若命题P(n)陈述的是“2·n > 2 + n”,且N是自然数集的话,则

∀n∈N P(n) 表示的即是(假)命题

“对任何自然数集n,都有 n, 2·n >2 + n”。

类似地,若命题 Q(n) 陈述的是 “n 为合数”,则

∀n∈N Q(n)→P(n)表示的是(真)命题

“对任何合数 n,都有 2·n > 2 + n”。 这里给出一种仅用于表示全称量化的特殊符号表示:

(n∈N) P(n)

默认情况下,圆括号表示的是全称量化。

性质

否定

注意到一个量化的命题函数的结果是一个命题;因此象命题一样,量化的函数也可被否定。数学家和逻辑学家用来表示否定的符号是:¬。

举例来说,定义 P(x) 为命题函数“x 已婚”;则对所有活人组成的论域 X,考虑全称量化“对给定的任何活人 x,此人都已婚”:

∀x∈X P(n)

只用几秒钟的考虑就能证明这个命题无可改变地为假;于是我们可以切实地说:“并非都是这样的情况,即:对给定的任何活人 x,此人都已婚”,或以符号记作:

¬∀x∈X P(n)

.

推理规则

推理规则是指由假设到结论的过程中证明一个逻辑步骤成立的规则。有若干推理规则利用了全称量词。

普遍例证(Universal instantiation)推定出的结论是这样的:若已知命题函数普遍成立,则其必对论域中任何随意给出的元素均成立。将此符号化地表示为

∀x∈X P(x) → P(c)

其中 c 是论域中可完全随意确定的某个元素。

普遍概括(Universal generalization)推定出的结论是这样的:若命题函数对论域中任何随意给出的元素均成立,则其普遍成立。以符号表示为:对某个可随意确定的 c,

P(c) → ∀x∈X P(x)

特别重要的是必须注意到,c 必须是完全随意确定的;否则便不能遵循该逻辑:若 c 不是随意确定的、而是论域中的一个特定元素,则 P(c) 仅说明蕴意着该命题函数的某个存在量化可成立。

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