λ→ à la Church 學習筆記-6(邏輯的表示)

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λ 立方體

λ 立方體中的八個系統對應著八個直覺主義邏輯系統。這就是 Barendregt 提出的「邏輯立方體」。

邏輯立方體

邏輯立方體里不同邏輯系統的具體名稱分別是:

  • PROP:命題邏輯/命題演算
  • PROP2:二階命題邏輯
  • PROP  underline{omega} :弱高階命題邏輯
  • PROPω :高階命題邏輯
  • PRED:謂詞邏輯/謂詞演算
  • PRED2:二階謂詞邏輯
  • PRED  underline{omega} :弱高階謂詞邏輯
  • PREDω :高階謂詞邏輯

這些系統都是「最小邏輯」,也就是說唯一的兩個邏輯運算元分別是→ 和 ? . 但對於二階與高階邏輯系統來說,其他的邏輯運算元,以及萊布尼茲等於關係(Leibnizs equality)是可以通過這兩個運算元來定義的。如果在邏輯立方體的系統里加上公理?α.??αα ,那麼我們就得到了「經典邏輯立方體」。

在邏輯立方體的邏輯系統 L_i 中,公式 A 可以被解釋為λ 立方體中 lambda_i 系統里的類型[[A]]. 這種解釋被稱為「命題作為類型」釋義(propositions-as-types interpretation),最早由Bruijn(1970)和Howard(1980)提出。

「命題作為類型」釋義滿足健全性/可靠性(soundness):如果 A 在PRED中是可證明的,那麼[[A]]在λP 中是被棲居(inhabited)的。

多類別謂詞邏輯

定義6(典型語境和翻譯)

和定義1中所定義的結構 mathcal{A} 相對應的典型語境(canonical context),記為 Gamma_mathcal{A} ,定義如下:

Gamma_mathcal{A} = A:*^s, B:*^s, \ P:(A	o *^p), Q:(A	o B	o *^p), \ f:(A	o (A	o A), g:(A	o B), c:A.

對於項 tin L_mathcal{A} ,我們歸納地定義 t典型翻譯(canonical translation),記為 [[t]] ,如下:

tphantom{i dont ssodnw}[[t]]phantom{I dot sssknow}Gamma_t \ x^	extbf{C}phantom{i dontss konw}xphantom{I dont know}x:C \ 	extbf{c}phantom{i dont sskonw}cphantom{I dont kssnow}langle
angle \ 	extbf{f}(s,s)phantom{i konw}f[[s]][[s]]phantom{Iknow}Gamma_s cupGamma_{s} \ 	extbf{g}(s)phantom{i dontasd w}g[[s]]phantom{I dast know}Gamma_s

對於邏輯式 varphiin L_mathcal{A} ,我們歸納地定義 varphi 的典型翻譯,記為 [[varphi]] ,如下:

varphiphantom{i dont ssodnw}[[varphi]]phantom{I dot sssknow}Gamma_varphi \ 	extbf{P}(t)phantom{i dont konw}P[[t]]phantom{I dont know}Gamma_t \ 	extbf{Q}(s,t)phantom{i do snw}Q[[s]][[t]]phantom{I dnow}Gamma_s cupGamma_{t} \ varphi_1	ovarphi_2phantom{i nw}[[varphi_1]]	o[[varphi_2]]phantom{Iknow}Gamma_{varphi_1} cupGamma_{varphi_2} \ forall x^	extbf{C}.psiphantom{i sad w}Pi x:C.[[psi]]phantom{I dw}Gamma_psi -{x:C}

引理7

1. tin	ext{Term}_	extbf{C}Rightarrow Gamma_mathcal{A},Gamma_t vdash_{lambda 	ext{PRED}} [[t]]:C

2. varphiin	ext{Form}_	extbf{C}Rightarrow Gamma_mathcal{A},Gamma_varphi vdash_{lambda 	ext{PRED}} [[varphi]]:*^p

定義8(定義3的重新描述)

在PRED中,Deltavdash varphi推導(derivation) D ,記為 D:(Deltavdash varphi) 定義如下:

  •  varphiinDelta Rightarrow P_varphi:(Deltavdash varphi)
  • D_1:(Deltavdashvarphi	opsi),D_2:(Deltavdashvarphi) Rightarrow D_1 D_2:(Deltavdash psi)
  • D:(Delta,varphivdash psi)Rightarrow (Ivarphi.D):(Deltavdash varphi	opsi)
  • D:(Deltavdashvarphi),x^	extbf{C}
otin FV(Delta)Rightarrow (Gx^	extbf{C}.D):(Deltavdash forall x^	extbf{C}.varphi)

P 表示映射Ivarphi 表示引入(introduction), Gx^	extbf{C} 表示推廣(generalization)。

定義9

1. 設 Delta={varphi_1,dots,varphi_n}subseteq 	ext{Form} ,那麼 Delta 的典型翻譯,記為 Gamma_Delta ,是如下定義的語境(context):

Gamma_Delta = Gamma_{varphi_1} cup dots cup Gamma_{varphi_n}, x_{varphi_1}:[[varphi_1]],dots ,x_{varphi_n}:[[varphi_n]]

2. 在PRED里,設 D:(Deltavdash varphi)D 的典型翻譯,記為 [[D]] ,以及 D 的典型語境,記為 Gamma_D ,歸納地定義如下:

Dphantom{i dont ssodnwsdfs}[[D]]phantom{I dot sssknow}Gamma_D \ P_varphiphantom{i dsdsdffont konw}x_varphiphantom{I dont ksdfnow}langle
angle \ D_1D_2phantom{i dosdf snw}[[D_1]][[D_2]]phantom{I dnow}Gamma_{D_1} cupGamma_{D_2} \ Ivarphi.D_1phantom{w}lambda x_varphi:[[varphi]].[[D_1]]phantom{w}Gamma_{D_1} -{x_varphi:[[varphi]]} \ Dtphantom{i sadsassdf w}[[D]][[t]]phantom{Iwdddddd}Gamma_D -Gamma_t\ Gx^	extbf{C}.Dphantom{fdsdsdf}lambda x:C.[[D]]phantom{esw}Gamma_D -{x:C}

定義16

1. lambda PROP定義如下:

mathcal{S} phantom{two}*^p,square^pphantom{tfsdddfwe}\ mathcal{A} phantom{two} *^p:square^p phantom{twsdfsfe}\ mathcal{R} phantom{two}(*^p,*^p)phantom{tweodsfs}

lambda PROP2定義如下:

mathcal{S} phantom{two}*^p,square^pphantom{tfsdddfwe}\ mathcal{A} phantom{two} *^p:square^p phantom{twsdfsfe}\ mathcal{R} phantom{two}(*^p,*^p),(square^p,*^p)

lambda PROP underlineomega 定義如下:

mathcal{S} phantom{tsfwo}*^p,square^pphantom{tfsdddfwe}\ mathcal{A} phantom{tfsddo} *^p:square^p phantom{twsdfsfe}\ mathcal{R} phantom{tddwo}(*^p,*^p),(square^p,square^p)

lambda PROP omega 定義如下:

mathcal{S} phantom{tsdfisdfwo}*^p,square^pphantom{tfsdddfwe}\ mathcal{A} phantom{twsdfsfsdo} *^p:square^p phantom{twsdfsfe}\ mathcal{R} phantom{two}(*^p,*^p),(square^p,*^p),(square^p,square^p)

2. lambda PRED 定義如下:

mathcal{S} phantom{two}*^s,*^p,square ^s, square^pphantom{tfsdddfwe}\ mathcal{A} phantom{two} *^s:square^s,*^p:square^p phantom{twsdfsfe}\ mathcal{R} phantom{two}(*^p,*^p),(*^s,*^p),(*^s,square^p)\ phantom{tweomore words} (*^s,*^S,*^f),(*^s,*^f,*^f)phantom{twerwsdf}

lambda PRED2 定義如下:

mathcal{S} phantom{two}*^s,*^p,square ^s, square^pphantom{tfsdsdffsdfddfwe}\ mathcal{A} phantom{two} *^s:square^s,*^p:square^p phantom{twssdfsdfsdfsfe}\ mathcal{R} phantom{two}(*^p,*^p),(*^s,*^p),(*^s,square^p),(square^p,*^p)\ phantom{tweomore words} (*^s,*^S,*^f),(*^s,*^f,*^f)phantom{twerwssdfsfsdfsddf}

lambda PRED underlineomega 定義如下:

mathcal{S} phantom{two}*^s,*^p,square ^s, square^pphantom{tfsdsdffsdfddfwe}\ mathcal{A} phantom{two} *^s:square^s,*^p:square^p phantom{twssdfsdfsdfsfe}\ mathcal{R} phantom{two}(*^p,*^p),(*^s,*^p),(*^s,square^p)phantom{werwsd}\ phantom{tweomore words} (*^s,*^S,*^f),(*^s,*^f,*^f),(square^p,square^p)phantom{twerfsddf}

lambda PRED omega 定義如下:

mathcal{S} phantom{two}*^s,*^p,square ^s, square^pphantom{tfsdsdffsdfddfwe}\ mathcal{A} phantom{two} *^s:square^s,*^p:square^p phantom{twssdfsdfsdfsfe}\ mathcal{R} phantom{two}(*^p,*^p),(*^s,*^p),(*^s,square^p),(square^p,*^p)\ phantom{tweomore words} (*^s,*^S,*^f),(*^s,*^f,*^f),(square^p,square^p)phantom{twerfsddf}

新的PTS立方體如下圖所示:

L-立方體

定義17(邏輯運算的二階可定義性)

1. 對於 A,B:*^p ,我們定義:

 ot equiv (Pieta:*^p.eta)\ 
eg Aequiv (A	oot)\ A & B equiv Pigamma:*^p.(A	o B	ogamma)	ogamma\ A vee B equiv Pigamma:*^p.(A	ogamma)	o(B	ogamma)	ogamma

2. 對於 A:*^p, S:*^s ,我們定義:

exists x:S.Aequiv Pigamma:*^p.(Pi x:S.(A	ogamma)	ogamma)\

3. 對於 S:*^s 以及 x,y:S ,我們定義:

(x=_L y)equiv Pi P:S	o*^p.Px	o Py

「邏輯立方體- lambda 立方體」里的所有系統對子(二元組)都滿足健全性,但並非所有對子都滿足完全性(completeness)。此外,邏輯PTS立方體中的所有系統的推導都是強正規的。

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