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.

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))

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:

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

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

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

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.

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 g1представляет 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 g1будет 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 g2и удалить квантор существования, то получится:

all(X, человек(Х) -› мать(X,g2))

Последнее высказывание говорит о том, что все люди имеют одну и туже 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, зависитот 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 g2соответствует функции, которая каждому конкретному человеку ставит в соответствие его мать.

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 Xи Yни были выбраны, либо Xживой, либо Xмертвый, и либо Мэри нравится Y, либо Y– грязный.

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) # Сэквивалентно (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 Xлибо X– выходной день, либо Крис работает в день Xи 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, Xявляется выходным днем или Крис работает в день X; во-вторых, либо X– выходной день, либо Крис сердитый или унылый).

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 структурноэти формулы различны, они имеют один и тот же смысл. Это объясняется тем, что если установлена истинность всехвысказываний из некоторого множества, то не имеет значения каким образом они группируются в сложное конъюнктивное высказывание. Не имеет значения, например, как сказать « Аистинно и Ви Стакже истинны» или « Аи Вистинны и Стоже 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: « Аи Вистинны» или « Ви Аистинны», 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 совокупностьлитералов (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 Yявляется 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)

10.3. Форма записи дизъюнктов

Очевидно, что для записи формул, представленных в стандартной форме, необходим соответствующий способ. Рассмотрим его. Прежде всего, стандартная форма представляет совокупность дизъюнктов. Договоримся записывать дизъюнкты последовательно один за другим, помня при этом, что порядок записи не имеет значения. В свою очередь, дизъюнкт является совокупностью литералов, часть из которых содержит отрицание, а часть не содержат его. Примем соглашение записывать сначала литералы без отрицания, а затем литералы с отрицанием. Эти две группы литералов будем разделять знаком ':-'. Литералы без отрицания при записи будем отделять друг от друга точкой с запятой (;) (помня, конечно, при этом, что порядок записи литералов в каждой группе неважен), а литералы с отрицанием будем записывать без знака отрицания (~), разделяя литералы запятыми. Запись каждого дизъюнкта будет заканчиваться точкой. При такой форме записи дизъюнкт, содержащий отрицания литералов K, L,… и литералы А, В,… мог бы быть представлен так:

A; B;…:- K, L,…

Хотя принятые предположения о форме записи дизъюнктов представляются произвольными, в них заложен некоторый мнемонический смысл. Если записать дизъюнкт, явно указав все знаки дизъюнкций и отрицаний и отделив литералы с отрицаниями от литералов без отрицаний, то получится примерно следующее;

(А # В #…) # (~К # -L #…)

что эквивалентно

(A # B # …) # ~(K & L & …)

Это в свою очередь эквивалентно (К & L &…) -› (А # В #…)

Если записать ',' вместо 'и', ';' вместо 'или' и ':-' вместо 'является следствием', то дизъюнкт естественным образом примет следующий вид:

A; B;…:- K, L,…

С учетом этих соглашений формула

(человек(адам) & человек(ева)) &((человек(Х) # ~мать(Х,Y)) # ~человек(Y))

записывается так:

человек(адам):-.

человек(ева):-.

человек(Х):- мать(Х,Y), человек(Y).

Это выглядит уже довольно знакомо. В действительности, это выглядит в точности как определение на Прологе того, что значит быть человеком. Однако другие формулы дают более загадочный результат. Так, для примера о выходном дне имеем:

выходной(Х); работает(крис,X):-.

выходной(Х); сердитый(крис); унылый(крис):-.

Сразу не так очевидно, чему это может соответствовать в Прологе. Этот вопрос будет подробнее рассмотрен в следующем разделе.

В приложении В представлена программа на Прологе, печатающая дизъюнкты в рассмотренном здесь виде. Так, дизъюнкты, приведенные в конце предыдущего раздела, в соответствии с принятыми соглашениями печатаются программой в следующем виде:

человек(f1(X)); король(Х):-.

король(Х):- почитает(f1(Х),Х).

10.4. Принцип резолюций и доказательство теорем

Теперь, когда мы имеем способ, позволяющий представлять формулы исчисления предикатов в такой аккуратной и привлекательной форме, рассмотрим, что можно делать с ними далее. Очевидно, можно исследовать вопрос о том, следует личто-либо интересное из некоторой заданной совокупности высказываний. То есть интересно исследовать, к каким следствиямони приводят. Высказывания, которые исходно считаются истинными, называются аксиомамиили гипотезами,а высказывания, которые следуют из них, называются теоремами.Введенные понятия согласуются с терминологией, используемой при описании такого подхода к математике, когда работа математика представляется как процесс получения все новых и новых интересных теорем из таких хорошо аксиоматизированных областей, какими являются теория множеств и теория чисел. В этом разделе будут кратко рассмотрены вопросы получения интересных следствий для заданного множества высказываний, то есть вопросы доказательства теорем.

В 60-х годах в этой области наблюдалась большая активность, связанная с возможностью использования вычислительных машин для автоматического доказательства теорем. Именно эта область научной деятельности, по-прежнему остающаяся источником новых идей и методов, дала жизнь идеям, легшим в основу Пролога. Одним из фундаментальных достижений того времени явилось открытие Дж. А. Робинсоном принципа резолюцийи его применение к автоматическому доказательству теорем. Резолюция – это правило вывода,говорящее о том, как одно высказывание может быть получено из других. Используя принцип резолюций, можно полностью автоматически доказывать теоремы, выводя их из аксиом. Необходимо лишь решать, к каким из высказываний следует применять правило вывода, а правильные следствия из них будут строиться автоматически.

Правило резолюций разрабатывалось применительно к формулам, представленным в стандартной форме. Если заданы два дизъюнкта, связанных между собой определенным образом, то это правило породит новый дизъюнкт, являющийся следствием двух первых. Главная идея состоит в том, что, если одна и та же атомарная формула появляется как в левой части одного дизъюнкта, так и в правой части другого дизъюнкта, то дизъюнкт, получаемый в результате соединения этих двух дизъюнктов, из которых вычеркнута упоминавшаяся повторяющаяся формула, является следствием указанных дизъюнктов. Например,

Из

унылый(крист); сердитый(крис):- рабочий_день(сегодня), идет_дождь(сегодня).

и

неприятный(крис):- сердитый(крис), усталый(крис).

следует

унылый(крис); неприятный(крис):- рабочий_день(сегодня), идет_дождь(сегодня), усталый(крис).

На естественном языке это звучит так. Если сегодня рабочий день и идет дождь, то Крис – унылый или сердитый. Кроме того, если Крис сердитый и усталый, то он неприятен. Поэтому, если сегодня рабочий день, идет дождь и Крис усталый, то Крис является унылым или неприятным.

В действительности, мы сильно упростили ситуацию, опустив два момента. Прежде всего, ситуация усложняется, когда дизъюнкты содержат переменные. В такой ситуации две атомарные формулы не обязательно должны быть идентичными – они должны быть лишь «сопоставимы». Кроме того, дизъюнкт, являющийся следствием двух других дизъюнктов, получается в результате их соединения (с удалением повторяющейся формулы) с помощью некоторой дополнительной операции. Эта операция включает в себя«конкретизацию» переменных до такой степени, чтобы две сопоставляемые формулы стали идентичными. Используя терминологию Пролога, можно сказать, что, если имелось два дизъюнкта, представленных в виде структур, и было выполнено сопоставление соответствующих подструктур, то результат соединения этих структур и был бы представлением нового дизъюнкта. Второе упрощение состоит в том, что в общем случае, правило резолюций допускает сопоставление нескольких литералов в правой части одного дизъюнкта с несколькимилитералами в левой части другого дизъюнкта. Здесь будут рассматриваться лишь примеры, когда из каждого дизъюнкта выбирается один литерал.

Рассмотрим один пример применения правила резолюций при наличии переменных:

человек(f1(Х)); король(Х):-. (1)

король(Y):- почитает(f1(Y),Y). (2)

почитает(Z,артур):- человек(Y). (3)

Два первых дизъюнкта представляют стандартную форму формулы, которую можно выразить так: «если каждый человек почитает кого-то, то этот кто-то – король». Переменные переименованы для удобства объяснения. Третий дизъюнкт выражает высказывание о том, что каждый человек почитает Артура. Применяя правило резолюций к (2) и (3) (сопоставляя два соответствующих литерала), получаем:

король(артур):- человек(f1(артур)). (4)

( Yв (2) сопоставлен с артурв (3), a Zв (3) сопоставлен с fl(Y)в (2)). Теперь можно применить правило резолюций к (1) и (4), что дает:

король(артур); король(артур):-.

Это эквивалентно факту, гласящему, что Артур является королем.

В формальном определении метода резолюций процедура «сопоставления», на которую мы неформально ссылались, называется унификацией.Интуитивно, множество атомарных формул унифицируемо,если эти формулы могут быть сопоставлены друг с другом как структуры языка Пролог. В действительности, как это будет показано в одном из следующих разделов, процедура сопоставления, используемая в большинстве реализаций языка Пролог, не совпадает в точности с унификацией.

Как можно использовать метод резолюций для доказательства конкретных утверждений? Один из возможных способов состоит в том, чтобы последовательно, шаг за шагом, применять правило резолюций к имеющимся гипотезам и посмотреть, не появилось ли при этом то, что мы хотим доказать. К сожалению, нельзя гарантировать, что это в конце концов произойдет, даже если интересующее нас высказывание действительно следует из имеющихся гипотез. Так, например, в последнем примере нельзя вывести простой дизъюнкт король(артур), исходя из данного множества дизъюнктов и используя лишь указанный метод, несмотря даже на то, что это очевидное следствие. Следует ли отсюда, что метод резолюций не является достаточно мощным средством для наших целей? К счастью, ответом на этот вопрос является «нет», так как можно переформулировать постановку задачи таким образом, что метод резолюций гарантированно сможет решить ее, если это в принципе возможно.

Метод резолюций имеет одно важное формальное свойство – он является полным для доказательства несовместности множества дизъюнктов.Это значит, что если множество дизъюнктов несовместно,то используя метод резолюций всегда можно вывести из данного множества дизъюнктов пустой дизъюнкт:

:-.

Кроме того, так как метод резолюций является корректным,то единственное, что он может вывести в такой ситуации – это пустой дизъюнкт. Множество формул несовместно, если не существует интерпретации предикатов, констант и функциональных символов, делающей истинными одновременно все эти формулы. Пустой дизъюнкт является логическим выражением ложности- он представляет высказывание, которое ни при каких условиях не может быть истинным. Таким образом, метод резолюций наверняка определит, когда заданное множество формул является несовместным, выведя пустой дизъюнкт, являющийся выражением противоречия.

Каким образом это свойство метода резолюций может помочь нам? Имеет место следующий факт:

Если множество формул { А ₁, A ₂,…, А _n} совместно, то формула Вявляется следствием формул { A _{l ,}A ₂,…, A _n} тогда и только тогда, когда множество формул { А ₁, A ₂,…, А _n В} - несовместно.

Таким образом, если множество гипотез совместно, то необходимо лишь добавить к нему дизъюнкты, соответствующие отрицанию высказывания, которое следует доказать. Резолюция даст пустой дизъюнкт в точности тогда, когда доказываемое высказывание следует из данных гипотез. Дизъюнкты, добавляемые к множеству гипотез, называются целевыми дизъюнктами.Отметим, что целевые дизъюнкты ничем не отличаются от гипотез – и те и другие являются дизъюнктами. Так что, если задано множество дизъюнктов { А ₁, А ₂,…, А _п} и требуется проверить несовместность этого множества дизъюнктов, то в действительности невозможно определить, идет ли речь о доказательстве того, что А ₁следует из A ₂, А ₃,…, А _пили что А ₂следует из A ₁, A ₃, …, А _n,или что А ₃следует из А ₁, А ₂, A ₄,…, А _nи так далее.Именно это является причиной того, что необходимо указывать какие дизъюнкты в действительности являются целевыми дизъюнктами. Для системы, использующей метод резолюций, все перечисленные задачи эквивалентны.

Легко увидеть, как можно получить пустой дизъюнкт в примере с королем Артуром, если добавить целевой дизъюнкт:

:- король(артур). (5)

(это дизъюнкт для ~король(артур)). Ранее уже было показано, как дизъюнкт

король(артур); король(артур):-. (6)

может быть выведен из гипотез. Применяя правило резолюций к (5) и (6) (сопоставляя любую из атомарных формул в (5)), получаем:

король(артур):-. (7)

И наконец, резолюция дизъюнктов (6) и (7) дает

:-.

Таким образом, использование метода резолюций позволило доказать следствие, что Артур является королем.

Полнота метода резолюций является полезным математическим свойством. Это свойство означает, что, если некоторый факт следует из гипотез, то имеется возможность доказать его истинность (показав несовместность множества дизъюнктов, содержащего гипотезы и отрицание доказываемого факта)» используя для этого метод резолюций.