Provas em lógica de primeira ordem

Igualdade, regras dos quantificadores, testemunhas novas e provas em Fitch.

TLDR

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Igualdade

As regras proposicionais continuam a valer. A esta camada juntam-se a igualdade e os quantificadores.

  • A regra =I=I dá t=tt=t para qualquer termo.
  • A regra =E=E substitui iguais por iguais sem captura. De a=ba=b e P(a)P(a) obténs P(b)P(b).
  • De a=ba=b obténs f(a)=f(b)f(a)=f(b). A inversa exige que ff seja injetiva.

Quantificadores

RegraOperaçãoCondição guardada
∀E\forall Ede ∀xφ\forall x\varphi obtém φ[x↦t]\varphi[x\mapsto t]tt está livre para xx
∃I\exists Ide φ[x↦t]\varphi[x\mapsto t] obtém ∃xφ\exists x\varphia substituição é admissível
∀I\forall Iprova φ(u)\varphi(u) e generalizauu é nova e arbitrária, sem dependência especial
∃E\exists Eabre φ(u)\varphi(u), deduz θ\theta e fecha a caixauu fica fora da conclusão e das hipóteses exteriores
  • Instancia a fórmula inteira: de ∀x(P(x)→Q(x))\forall x(P(x)\to Q(x)) obténs P(t)→Q(t)P(t)\to Q(t), não Q(t)Q(t) sozinho.
  • Para ∃x(P(x)∧Q(x))\exists x(P(x)\land Q(x)), ambas as propriedades têm de valer para a mesma testemunha. P(a)P(a) com Q(b)Q(b) não chegam sem a=ba=b.

A testemunha de ∃xP(x)\exists xP(x) tem uma propriedade especial; por isso não serve como objeto arbitrário para provar ∀xP(x)\forall xP(x).

1  ∀x(P(x) → Q(x))      premissa
2  ∃xP(x)               premissa
3  | u, P(u)            testemunha nova e hipótese
4  | P(u) → Q(u)        ∀E, 1
5  | Q(u)               →E, 4, 3
6  | ∃xQ(x)             ∃I, 5
7  ∃xQ(x)               ∃E, 2, 3 a 6

A linha 6 remove a referência à testemunha antes de sair da caixa. A fórmula Q(u)Q(u) não poderia sair diretamente. De um P(a)P(a) particular não concluis ∀xP(x)\forall xP(x).

Rever uma prova

¬∀xP(x)⇔∃x¬P(x)\neg\forall xP(x)\Leftrightarrow\exists x\neg P(x) vale semanticamente. Numa dedução com as regras de base, justifica cada direção. Para obter ¬∀xP(x)\neg\forall xP(x) a partir de uma testemunha de ¬P\neg P, assume o universal, instancia-o nessa testemunha e deriva FF.

Confere uma dedução em Fitch:

  1. Todas as linhas citadas estão acessíveis na caixa atual.
  2. ∀E\forall E e ∃I\exists I aplicam-se só a ocorrências livres, sem captura.
  3. ∀I\forall I exige um objeto arbitrário, sem hipóteses especiais abertas.
  4. ∃E\exists E cita a existência e a caixa inteira; a testemunha fica fora da conclusão.
  5. As caixas fecham por ordem e a fórmula final só tem dependências permitidas.

A dedução natural de primeira ordem é correta e completa: Γ⊢φ\Gamma\vdash\varphi se e só se Γ⊨φ\Gamma\models\varphi. Testar uma estrutura finita não prova a consequência em todas as estruturas.

Provas quantificadas com caixas encaixadas.

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