Provas em lógica proposicional
Dedução natural, notação de Fitch, subdeduções, contradição e escolha de regras.
Uma tabela mostra que uma conclusão é consequência das premissas. Uma dedução mostra como chegar à conclusão com regras de inferência. Escrevemos quando existe uma dedução de a partir das premissas .
Na dedução natural, DN, podemos abrir hipóteses temporárias. Cada hipótese só sai através da regra que fecha a sua caixa; ao fechar, a conclusão deixa de depender dela. Esta gestão das hipóteses é tão necessária como escolher a conetiva certa.
Eliminação da implicação
De e , obtemos por eliminação da implicação, :
1 p → q premissa
2 p premissa
3 q →E, 1, 2
Se significa «há autorização» e significa «a porta abre», a regra usa a autorização e a condição que a liga à abertura. Só ter não permite concluir : falta garantir o antecedente.
Quando abres uma hipótese, anota o que queres obter antes de a fechar. Uma caixa fechada deixa de estar acessível; duas caixas abertas lado a lado são irmãs e não partilham linhas entre si.
Regras básicas
Cada conetiva tem regras de introdução, para a construir, e de eliminação, para a usar.
| Regra | O que permite |
|---|---|
| De e , obter . | |
| De , obter qualquer um dos membros. | |
| De , obter ou . | |
| De e duas subdeduções com a mesma conclusão , uma assumindo e outra , obter . | |
| De e , obter . É modus ponens. | |
| Se assumir permite deduzir , fechar essa hipótese e obter . | |
| De e , obter a contradição . | |
| De , obter qualquer fórmula. | |
| Se assumir permite obter , fechar a hipótese e obter . | |
| De , obter . | |
| Repetir uma fórmula que está acessível. |
A regra aqui é a eliminação da dupla negação, conforme a notação da cadeira. Não a confundas com . Usa as regras de base quando o enunciado não autorizar regras derivadas.
Notação de Fitch e âmbito
Numeramos as linhas, escrevemos a regra e indicamos as linhas usadas. A indentação e a barra vertical assinalam uma subdedução.
Vamos provar . A conclusão é uma implicação. Abrimos a hipótese e tentamos obter :
1 (p ∨ q) → r premissa
2 | p hipótese
3 | p ∨ q ∨I, 2
4 | r →E, 1, 3
5 p → r →I, 2 a 4
A linha 5 usa a subdedução inteira. Não afirma sem condições, afirma que permite obter .
Depois de fechar a caixa, as linhas 2 a 4 não podem servir como premissas de outro passo exterior. Uma linha exterior pode ser usada dentro de uma caixa, mas uma conclusão de uma caixa fechada só sai através da regra que a fecha. Também não podes usar uma linha de uma caixa irmã.
Provar por casos
Queremos . Não sabemos qual dos membros da disjunção é verdadeiro. Provamos que ambos levam a :
1 (p ∧ q) ∨ (q ∧ r) premissa
2 | p ∧ q hipótese do primeiro caso
3 | q ∧E, 2
4 | q ∧ r hipótese do segundo caso
5 | q ∧E, 4
6 q ∨E, 1, 2 a 3, 4 a 5
A linha 4 abre uma nova caixa, não fica dentro da primeira. As duas caixas terminam com a mesma fórmula. Não podemos concluir , porque só o primeiro caso o garante.
Quando um caso já começa com a conclusão pretendida, podemos repeti-la por . Isto permite citar uma subdedução com início e fim explícitos.
Experimentar uma dedução
No editor, altera uma regra ou uma referência da prova por casos e observa o diagnóstico. O separador | --- fecha o primeiro caso antes de abrir o segundo.
Escolhe um exercício para construir uma prova a partir das primeiras linhas. Nos exercícios, as premissas e a conclusão ficam fixas. Em Prova livre, escreve as tuas próprias premissas e conclusão. Só as regras de base desta lição são aceites.
Premissas: (p ∧ q) ∨ (q ∧ r). Conclusão: q.
Deixa as premissas vazias para provar um teorema.
Sintaxe e regras aceites
Uma linha tem número, barras de âmbito, fórmula, ponto e vírgula, regra e referências. Exemplo: 3 | q; →E, 1, 2. Também podes separar a fórmula da regra com dois espaços.
Abre uma caixa com | p; hipótese, acrescentando um número de linha. Cada barra acrescenta um nível. Ao retirar uma barra fechas a caixa. Entre caixas irmãs escreve | ---, com tantas barras como a caixa que fechas. O separador não recebe número.
Usa ∧I, ∧E, ∨I, ∨E, →I, →E, FI, FE, ¬I, ¬E e R. Introdução de implicação e negação citam uma caixa, como →I, 2 a 4. Eliminação da disjunção cita a disjunção e duas caixas: ∨E, 1, 2 a 3, 4 a 5. Aqui, ¬E elimina dupla negação.
Nas fórmulas, ~ ou ! representam ¬, & representa ∧, \/ representa ∨ e -> representa →. Usa letras como p ou p1, e F ou ⊥ para contradição. A precedência é negação, conjunção, disjunção, implicação. A implicação associa à direita.
O verificador cobre lógica proposicional clássica com estas regras de base. Não verifica quantificadores nem regras derivadas. Os exercícios são os desta lição, com as premissas e a conclusão fixas. A prova é verificada neste navegador, sem guardar a resposta. Em Prova livre, define as tuas próprias premissas e conclusão.
Negação e contradição
Para provar , assumimos o contrário da negação que queremos introduzir, isto é, :
1 p → q premissa
2 ¬q premissa
3 | p hipótese
4 | q →E, 1, 3
5 | F FI, 2, 4
6 ¬p ¬I, 3 a 5
Esta dedução justifica a regra derivada modus tollens, MT. A conclusão é , não . Para provar uma fórmula positiva por absurdo, assumimos , obtemos , concluímos por e depois por . Estes dois últimos passos podem abreviar-se por RA quando a redução ao absurdo for permitida.
A partir de podemos concluir qualquer fórmula por . Isso é útil numa prova por casos: se um dos casos contradiz uma premissa, esse caso também permite obter a conclusão comum.
Contraposição e caixas encaixadas
Vamos provar . Primeiro introduzimos a implicação. Para obter , tentamos uma redução ao absurdo:
1 ¬q → ¬p premissa
2 | p hipótese
3 | | ¬q hipótese
4 | | ¬p →E, 1, 3
5 | | F FI, 2, 4
6 | ¬¬q ¬I, 3 a 5
7 | q ¬E, 6
8 p → q →I, 2 a 7
Na linha 6 fechamos só a caixa de . A hipótese continua aberta até à linha 8. Por isso, a linha 7 ainda depende de .
Escolher o próximo passo
Olha primeiro para a conetiva principal da conclusão:
- Para , procura uma prova de cada membro e termina com .
- Para , assume e procura .
- Para , assume e procura uma contradição.
- Para , tenta provar um dos membros.
Depois olha para as premissas. Uma conjunção dá informação por . Uma implicação pede o seu antecedente. Uma disjunção pode obrigar a uma prova por casos. Estes critérios orientam a procura; não são um algoritmo que dispense raciocínio.
Se a prova parece impossível, procura um contraexemplo semântico, porque nenhuma combinação correta das regras prova uma consequência falsa. Por exemplo, de e não conseguimos obter : satisfaz as premissas.
Correção e completude
Um sistema é correto se implica . As regras não permitem passar de premissas verdadeiras a uma conclusão falsa.
É completo se implica . Toda a consequência semântica tem uma dedução. A DN clássica usada aqui tem as duas propriedades. Isso não significa que encontrar uma prova seja imediato.
A equivalência dedutiva exige provas nos dois sentidos. Uma só dedução estabelece apenas uma direção. Para provar , abre e fecha uma subdedução para cada implicação, depois junta-as com .
Exercícios
Casos com conclusões diferentes
Prova com regras de base e notação de Fitch.
Pista
Não podes terminar uma caixa com e outra com e aplicar diretamente .
Mais uma pista
Introduz dentro de cada caixa depois de aplicar a implicação correspondente. No laboratório de dedução, escolhe «Casos diferentes» e completa a prova. A verificação das regras não substitui a explicação de por que os casos chegam à mesma conclusão.
Solução
1 p ∨ q premissa
2 p → r premissa
3 q → s premissa
4 | p hipótese
5 | r →E, 2, 4
6 | r ∨ s ∨I, 5
7 | q hipótese
8 | s →E, 3, 7
9 | r ∨ s ∨I, 8
10 r ∨ s ∨E, 1, 4 a 6, 7 a 9Confere a tua resposta:
- Abri uma caixa para p e outra para q.
- As duas caixas terminam em r ∨ s.
- A última linha cita a disjunção e ambas as caixas.
Erros frequentes
pede a mesma fórmula no fim de ambas as caixas. A disjunção exterior não autoriza escolher apenas o caso que preferimos.
Negação por contradição
Prova .
Pista
A conclusão é uma negação. Assume a fórmula que está negada.
Mais uma pista
De retira e usa . No laboratório de dedução, escolhe «Negação por contradição». O diagnóstico verifica as regras e as caixas; compara depois o raciocínio com a solução.
Solução
1 p → q premissa
2 ¬q premissa
3 | p ∧ r hipótese
4 | p ∧E, 3
5 | q →E, 1, 4
6 | F FI, 2, 5
7 ¬(p ∧ r) ¬I, 3 a 6Confere a tua resposta:
- Assumi p ∧ r numa caixa.
- Obtive q e uma contradição com ¬q.
- Fechei a caixa com ¬I.
Erros frequentes
O facto de não ser necessário para a contradição não invalida a prova. A hipótese completa é a que se fecha.
Uma linha fora da caixa
A partir de , alguém prova por casos e depois usa o obtido só na caixa de para concluir . Qual é o problema?
Pista
No caso em que vale, sabemos alguma coisa sobre ?
Mais uma pista
Escolhe e . A premissa continua verdadeira.
Solução
A caixa de fecha quando aplicamos . O seu não pode ser usado fora. Com , a premissa é verdadeira e é falsa, confirmando que a conclusão não é consequência.
- A linha q da caixa fechada já não está acessível.. A conclusão q só foi obtida sob uma hipótese temporária.
- A introdução de conjunção nunca pode usar uma disjunção.. Pode usar qualquer fórmula já obtida, incluindo uma disjunção.
- O problema é a ordem das premissas.. Reordenar premissas não altera o seu âmbito.
Erros frequentes
Não basta obter uma fórmula em alguma caixa. É preciso que continue acessível no ponto em que a citamos.
Distribuição da implicação nos dois sentidos
Prova, com regras de base e Fitch, os dois sentidos de
Abre uma dedução por sentido. Não uses a equivalência semântica como regra.
Pista
Uma direção termina numa conjunção de implicações. A outra termina numa implicação cuja hipótese é uma disjunção.
Solução
No primeiro sentido, assumimos cada antecedente separadamente:
1 (p ∨ q) → r premissa
2 | p hipótese
3 | p ∨ q ∨I, 2
4 | r →E, 1, 3
5 p → r →I, 2 a 4
6 | q hipótese
7 | p ∨ q ∨I, 6
8 | r →E, 1, 7
9 q → r →I, 6 a 8
10 (p → r) ∧ (q → r) ∧I, 5, 9No segundo, a disjunção obriga a obter nos dois casos:
1 (p → r) ∧ (q → r) premissa
2 p → r ∧E, 1
3 q → r ∧E, 1
4 | p ∨ q hipótese
5 | | p hipótese do primeiro caso
6 | | r →E, 2, 5
7 | | q hipótese do segundo caso
8 | | r →E, 3, 7
9 | r ∨E, 4, 5 a 6, 7 a 8
10 (p ∨ q) → r →I, 4 a 9As caixas 5 a 6 e 7 a 8 são irmãs. A equivalência dedutiva exige as duas provas, não apenas a primeira.
Confere a tua resposta:
- No primeiro sentido construí duas implicações.
- No segundo sentido usei casos com a mesma conclusão.
- Citei caixas completas e descarreguei as hipóteses.