Estruturas e formas prenexas

Interpretação de termos e fórmulas, modelos, contraestruturas e transformação prenexa.

TLDR

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A fórmula ∀x P(x)\forall x\,P(x) não diz quais são os objetos nem o que significa PP. Para a avaliar precisamos de uma estrutura. Se a fórmula tiver variáveis livres, também precisamos de atribuir valores a essas variáveis.

Quantificadores num domínio finito

Toma a linguagem com um único predicado PP e domínio A={a,b}A=\{a,b\}, onde PA={a}P^{\mathcal A}=\{a\}. Os nomes a,ba,b aqui identificam os objetos do domínio.

Objeto atribuído a xxP(x)P(x)
aaT
bbF

∃x P(x)\exists x\,P(x) calcula a disjunção dos dois valores, T∨F=TT\lor F=T: aa é uma testemunha. ∀x P(x)\forall x\,P(x) calcula a conjunção, T∧F=FT\land F=F: bb é um contraexemplo. Esta expansão funciona porque listámos todos os objetos do domínio finito.

Uma estrutura completa

Para uma linguagem LL, uma estrutura A=(A,⋅A)\mathcal A=(A,\cdot^{\mathcal A}) tem um domínio não vazio AA e uma interpretação de todos os símbolos não lógicos:

  • Uma constante aa recebe um objeto aA∈Aa^{\mathcal A}\in A.
  • Uma função de aridade nn recebe uma função total fA:An→Af^{\mathcal A}:A^n\to A.
  • Um predicado de aridade nn recebe uma relação RA⊆AnR^{\mathcal A}\subseteq A^n.

Considere-se F0={a}F_0=\{a\}, F1={g}F_1=\{g\}, R1={P}R_1=\{P\} e R2={R}R_2=\{R\}. Vamos usar:

A=N={0,1,2,…},aA=2,gA(n)=n+1,PA={0,2,4,…},RA={(n,m)∈N2:n<m}.\begin{gathered} A=\mathbb N=\{0,1,2,\ldots\},\qquad a^{\mathcal A}=2,\\ g^{\mathcal A}(n)=n+1,\qquad P^{\mathcal A}=\{0,2,4,\ldots\},\\ R^{\mathcal A}=\{(n,m)\in\mathbb N^2:n<m\}. \end{gathered}

Nesta estrutura, PP significa “é par” e RR significa “é menor”. Numa estrutura diferente, esses símbolos podem ter outros significados. A igualdade, quando pertence à linguagem, compara os próprios objetos do domínio.

Avaliar termos e fórmulas

Uma interpretação das variáveis é uma função s:Var→As:\mathrm{Var}\to A. Para s(x)=3s(x)=3, o termo g(a)g(a) da linguagem representa 33, e o termo g(x)g(x) representa 44.

A avaliação de um termo composto faz-se de dentro para fora. Por exemplo, g(g(a))g(g(a)) representa 44, pois aa representa 22 e aplicamos o sucessor duas vezes.

Escrevemos A⊨sφ\mathcal A\models_s\varphi quando φ\varphi é verdadeira na estrutura com essa interpretação. Para uma fórmula atómica:

A⊨sR(t1,t2)⟺(valor de t1,valor de t2)∈RA.\mathcal A\models_s R(t_1,t_2) \quad\Longleftrightarrow\quad (\text{valor de }t_1,\text{valor de }t_2)\in R^{\mathcal A}.

Com s(x)=3s(x)=3, R(a,x)R(a,x) é verdadeira, porque 2<32<3. P(x)P(x) é falsa, porque 33 não é par. As conetivas calculam-se pelas mesmas tabelas da lógica proposicional.

Para quantificar, variamos só a variável ligada. s[x↦d]s[x\mapsto d] coincide com ss nas outras variáveis e atribui dd a xx:

A⊨s∀x φ⟺ para todo d∈A, A⊨s[x↦d]φ,A⊨s∃x φ⟺ para algum d∈A, A⊨s[x↦d]φ.\begin{aligned} \mathcal A\models_s\forall x\,\varphi &\Longleftrightarrow\text{ para todo }d\in A, \ \mathcal A\models_{s[x\mapsto d]}\varphi,\\ \mathcal A\models_s\exists x\,\varphi &\Longleftrightarrow\text{ para algum }d\in A, \ \mathcal A\models_{s[x\mapsto d]}\varphi. \end{aligned}

Só os valores das variáveis livres podem alterar a verdade da fórmula. Uma proposição não tem variáveis livres, por isso escrevemos simplesmente A⊨φ\mathcal A\models\varphi.

Testemunhas e contraexemplos numa estrutura

Na estrutura dos naturais acima:

FórmulaResultado e justificação
∀x∃y R(x,y)\forall x\exists y\,R(x,y)Verdadeira. Para cada xx, escolhemos y=x+1y=x+1.
∃y∀x R(x,y)\exists y\forall x\,R(x,y)Falsa. Para qualquer yy, x=yx=y dá y<yy<y, falso.
∃x g(x)=a\exists x\,g(x)=aVerdadeira. x=1x=1 é testemunha.
∀x g(x)≠x\forall x\,g(x)\ne xVerdadeira. x+1≠xx+1\ne x para todo o natural.
∃x(P(x)∧P(g(x)))\exists x(P(x)\land P(g(x)))Falsa. Dois naturais consecutivos não são ambos pares.

A frase ∀x∃y R(x,y)\forall x\exists y\,R(x,y) é verdadeira nesta estrutura, mas não é logicamente válida. Numa estrutura com domínio {u}\{u\} e RB=∅R^{\mathcal B}=\emptyset para RR binário, é falsa. Ou seja, não transformes a interpretação habitual de um símbolo numa propriedade lógica obrigatória.

Validade, satisfazibilidade e modelos

Uma fórmula é válida se é verdadeira em todas as estruturas da linguagem e todas as interpretações das variáveis. É satisfazível se existe pelo menos uma estrutura e uma interpretação que a tornam verdadeira. É insatisfazível se nenhuma serve.

Uma estrutura que satisfaz uma proposição é um modelo dessa proposição. Para um conjunto de proposições, um modelo tem de satisfazer todas na mesma estrutura.

Para refutar Γ⊨φ\Gamma\models\varphi, construímos uma estrutura e, se necessário, uma interpretação que satisfazem todas as premissas e tornam a conclusão falsa. Uma descrição incompleta do domínio ou dos símbolos não fornece uma contraestrutura completa.

Por exemplo, ∀x(P(x)∨Q(x))\forall x(P(x)\lor Q(x)) não implica (∀xP(x))∨(∀xQ(x))(\forall xP(x))\lor(\forall xQ(x)). Escolhemos:

B={u,v},PB={u},QB={v}.B=\{u,v\},\qquad P^{\mathcal B}=\{u\},\qquad Q^{\mathcal B}=\{v\}.

Cada objeto tem PP ou QQ, por isso a premissa é verdadeira. Nem todos têm PP e nem todos têm QQ, por isso a conclusão é falsa. Num domínio com um único objeto não conseguiríamos esta separação.

Validade proposicional e validade de primeira ordem

Se tratarmos cada fórmula atómica como uma variável proposicional independente, algumas atribuições deixam de corresponder a estruturas. Por exemplo, a=ba=b, b=cb=c e a=ca=c não podem ter respetivamente os valores T,T,FT,T,F: a igualdade dos objetos é transitiva.

Assim, (a=b∧b=c)→a=c(a=b\land b=c)\to a=c é válida em todas as estruturas com igualdade, mas a sua abstração proposicional (p∧q)→r(p\land q)\to r não é uma tautologia. A atribuição p=q=T,r=Fp=q=T,r=F refuta apenas a abstração; não é uma contraestrutura da fórmula original.

Uma tautologia proposicional continua válida quando substituímos as variáveis por fórmulas de primeira ordem. A recíproca falha, porque igualdade e quantificadores impõem relações que uma tabela de variáveis independentes não representa.

Equivalências com quantificadores

Podemos distribuir um universal sobre conjunção e um existencial sobre disjunção:

∀x(φ∧ψ)⇔(∀xφ)∧(∀xψ),∃x(φ∨ψ)⇔(∃xφ)∨(∃xψ).\begin{aligned} \forall x(\varphi\land\psi)&\Leftrightarrow (\forall x\varphi)\land(\forall x\psi),\\ \exists x(\varphi\lor\psi)&\Leftrightarrow (\exists x\varphi)\lor(\exists x\psi). \end{aligned}

Não há equivalência geral para as outras duas combinações. No exemplo com PB={u}P^{\mathcal B}=\{u\} e QB={v}Q^{\mathcal B}=\{v\}, também (∃xP(x))∧(∃xQ(x))(\exists xP(x))\land(\exists xQ(x)) é verdadeira, mas ∃x(P(x)∧Q(x))\exists x(P(x)\land Q(x)) é falsa. As testemunhas das duas existências podem ser diferentes.

Se xx não ocorre livre em ψ\psi, podemos transportar o quantificador através de ∧\land ou ∨\lor:

(Qx φ)∘ψ⇔Qx(φ∘ψ),(Qx\,\varphi)\circ\psi\Leftrightarrow Qx(\varphi\circ\psi),

para Q∈{∀,∃}Q\in\{\forall,\exists\} e ∘∈{∧,∨}\circ\in\{\land,\lor\}. A condição sobre as variáveis impede que o transporte capture um xx livre em ψ\psi. Estas regras usam o domínio não vazio da LPO.

Ao transportar pela implicação, a posição importa, pois o antecedente fica negado quando substituímos →\to por ¬φ∨ψ\neg\varphi\lor\psi. Por exemplo, ainda com xx não livre em ψ\psi:

(∀xφ)→ψ⇔∃x(φ→ψ).(\forall x\varphi)\to\psi\Leftrightarrow \exists x(\varphi\to\psi).

Forma normal prenexa

Uma fórmula está na forma normal prenexa quando todos os quantificadores aparecem no início, seguidos de uma fórmula sem quantificadores, a matriz. Uma fórmula sem quantificadores já está nesta forma.

O método é:

  1. Eliminar →\to e outras abreviaturas, ficando com ¬\neg, ∧\land e ∨\lor.
  2. Renomear variáveis ligadas para evitar nomes repetidos ou nomes também usados livres.
  3. Levar negações para dentro, trocando ∀\forall e ∃\exists quando necessário.
  4. Levar os quantificadores para fora sem capturar variáveis livres.

Vamos transformar:

¬∀x(P(x)→∃y R(x,y))∨∀x Q(x,z).\neg\forall x\bigl(P(x)\to\exists y\,R(x,y)\bigr) \lor\forall x\,Q(x,z).

O zz está livre e tem de continuar livre. Renomeamos o segundo xx para uu e tratamos a negação:

∃x¬(¬P(x)∨∃y R(x,y))∨∀u Q(u,z)⇔∃x(P(x)∧∀y ¬R(x,y))∨∀u Q(u,z)⇔∃x∀y∀u((P(x)∧¬R(x,y))∨Q(u,z)).\begin{aligned} &\exists x\neg\bigl(\neg P(x)\lor\exists y\,R(x,y)\bigr) \lor\forall u\,Q(u,z)\\ &\Leftrightarrow \exists x\bigl(P(x)\land\forall y\,\neg R(x,y)\bigr) \lor\forall u\,Q(u,z)\\ &\Leftrightarrow \exists x\forall y\forall u \bigl((P(x)\land\neg R(x,y))\lor Q(u,z)\bigr). \end{aligned}

No último passo, yy não ocorre livre em P(x)P(x), e x,yx,y não ocorrem livres em Q(u,z)Q(u,z). O uu foi escolhido novo. Estas verificações justificam o transporte, que se decompõe em três movimentos, cada um com a sua condição:

  1. ∃x\exists x atravessa a disjunção, porque xx não ocorre livre em ∀u Q(u,z)\forall u\,Q(u,z).
  2. ∀y\forall y atravessa a conjunção com P(x)P(x) e depois a disjunção, porque yy não ocorre livre em nenhuma das outras partes.
  3. ∀u\forall u atravessa a disjunção, porque uu foi escolhido novo e não ocorre livre na parte esquerda.

A ordem ∃x∀y∀u\exists x\forall y\forall u conserva essas dependências. Trocar dois quantificadores do mesmo tipo mantém a equivalência; trocar ∃x\exists x com ∀y\forall y já exigiria nova verificação.

Não há uma única forma prenexa para cada fórmula. A ordem final dos quantificadores tem de resultar de equivalências permitidas, não de os ordenar por tipo ou nome.

Exercícios

Uma estrutura com dois objetos

Considera A={0,1}A=\{0,1\}, RA={(0,1),(1,0)}R^{\mathcal A}=\{(0,1),(1,0)\} e PA={0}P^{\mathcal A}=\{0\}. Avalia ∀x∃yR(x,y)\forall x\exists yR(x,y), ∃y∀xR(x,y)\exists y\forall xR(x,y) e ∃x(P(x)∧R(x,x))\exists x(P(x)\land R(x,x)). Justifica.

Pista

A relação liga cada objeto apenas ao outro.

Mais uma pista

Para o candidato y=0y=0, testa x=0x=0; para y=1y=1, testa x=1x=1.

Solução

Os resultados são verdadeira, falsa e falsa. Na primeira, escolhemos y=1−xy=1-x. Na segunda, para qualquer yy, x=yx=y refuta R(x,y)R(x,y). Na terceira, só x=0x=0 tem PP, mas (0,0)∉RA(0,0)\notin R^{\mathcal A}, e nenhum objeto tem R(x,x)R(x,x).

Confere a tua resposta:

  • Para o primeiro universal escolhi a testemunha por x.
  • Para o segundo existencial mostrei que nenhum y serve para todos.
  • Conferi a diagonal da relação na terceira fórmula.

Erros frequentes

Uma testemunha diferente por xx não satisfaz uma fórmula que exige um único yy exterior para todos.

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Uma forma prenexa

Obtém uma forma prenexa de cada fórmula e indica as variáveis que continuam livres:

  1. (¬∀xP(x))∨∃xQ(x,z)(\neg\forall xP(x))\lor\exists xQ(x,z);
  2. (∀xP(x))→∃x∀yR(x,y,z)(\forall xP(x))\to\exists x\forall yR(x,y,z).

No segundo caso, justifica por que muda o tipo do quantificador do antecedente.

Pista

As duas ocorrências quantificadas de xx pertencem a âmbitos diferentes.

Mais uma pista

Renomeia para uu e vv, depois transporta os dois existenciais através de ∨\lor.

Solução

Para a primeira, uma forma é ∃u∃v(¬P(u)∨Q(v,z))\exists u\exists v(\neg P(u)\lor Q(v,z)). Primeiro ¬∀xP(x)⇔∃u¬P(u)\neg\forall xP(x)\Leftrightarrow\exists u\neg P(u). O segundo existencial pode chamar-se vv. Nenhuma das variáveis novas ocorre livre na outra parte, por isso podemos transportar. zz continua livre.

Na segunda, renomeamos as variáveis ligadas dos dois âmbitos para uu e vv, e yy para ww:

Eliminar a implicação deixa a negação do antecedente:

¬∀uP(u)∨∃v∀wR(v,w,z).\neg\forall uP(u)\lor\exists v\forall wR(v,w,z).

A negação troca o universal por um existencial:

∃u¬P(u)∨∃v∀wR(v,w,z).\exists u\neg P(u)\lor\exists v\forall wR(v,w,z).

Transportamos depois os quantificadores para o início:

∃u∃v∀w(¬P(u)∨R(v,w,z)).\exists u\exists v\forall w(\neg P(u)\lor R(v,w,z)).

Cada transporte é válido porque a variável não ocorre livre na outra parte; o domínio é não vazio. zz continua livre e ww continua dentro da escolha de vv.

Confere a tua resposta:

  • Troquei o universal negado por um existencial com negação.
  • Usei nomes distintos para os dois quantificadores.
  • Mantive z livre na matriz.
  • Justifiquei a troca do quantificador negado no antecedente.

Erros frequentes

Usar uma só variável para os dois quantificadores pode juntar testemunhas que eram independentes. Forma prenexa não exige fechar as variáveis livres.

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Refutar a distribuição errada

Refuta (∃xP(x))∧(∃xQ(x))⊨∃x(P(x)∧Q(x))(\exists xP(x))\land(\exists xQ(x))\models\exists x(P(x)\land Q(x)) com uma estrutura finita.

Pista

Usa objetos diferentes para as duas testemunhas.

Mais uma pista

Dois objetos com PP verdadeiro só no primeiro e QQ só no segundo chegam.

Solução

Escolhe A={a,b}A=\{a,b\}, PA={a}P^{\mathcal A}=\{a\} e QA={b}Q^{\mathcal A}=\{b\}. Ambas as existências são verdadeiras, mas PA∩QA=∅P^{\mathcal A}\cap Q^{\mathcal A}=\emptyset, logo a conclusão é falsa.

Confere a tua resposta:

  • Declarei o domínio e as duas relações unárias.
  • Cada existência tem uma testemunha.
  • Nenhum objeto satisfaz ambas as propriedades.

Erros frequentes

Um domínio vazio não é uma estrutura admitida nesta LPO e também não satisfaria as premissas.

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