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数理逻辑--初窥门径

公元前400多年的古希腊,德尔斐的阿波罗神庙上刻着一句著名的神谕:“认识你自己”。人降生在这个世界上时一无所知,苏格拉底说:追求知识和真理就是最高的品德。

数理逻辑简史

亚里士多德(394BC-322BC)继承苏格拉底和柏拉图的意志,并且更彻底地追求真理,他说:“吾爱吾师,吾更爱真理。”为了他的目标,亚里士多德创立了一套方法论,成为逻辑的起源。其中包括著名的“三段论”——全称、特称、结论,以及逻辑推理的三大规律——同一律、无矛盾律和排中律。

欧几里得(325BC-265BC)的《几何原本》将公理和逻辑引入到数学中。以几条不证自明的简单公理为基础,用逻辑演绎的方法构建起欧氏几何的大厦。

由于自然语言存在歧义,使用自然语言进行逻辑推理容易走入诡辩的迷雾(拓展:公孙龙的“白马非马”论,哥德尔用本体论证明上帝存在)。为了摆脱含混不清,令逻辑达到绝对的严谨和明晰,将语义语法分离,推动逻辑推理形式化、符号化成了逻辑发展走向现代的风向标。

千年之后,德国的莱布尼茨(1646-1716)第一个试图把逻辑推理符号化,以求逻辑推理变得直观简洁,为更复杂的逻辑推理开辟道路。

1832年,伽罗华开创了研究抽象公理代数系统的抽象代数。

布尔(1815-1864)把代数引入逻辑,用0,1分别代表False,True,结合算子和逻辑规则,使逻辑运算成为可能。

弗雷格(1848-1925)试图把数学转变成纯粹的符号逻辑,他留下了一本著作《概念文字》,引入的符号语言后来被称为一阶语言。

1872-1874年,康托尔建立的集合论似乎告诉人们:数学系统的形式化工作已经完成,数学的绝对严密已经实现。所以有了1900年希尔伯特在巴黎数学大会上的雄心勃勃的宣言。

但仅仅过了1年,罗素便发现了朴素集合论中著名的“罗素悖论”:假设S是所有不属于自身的集合的集合,即$S=\{x|x\not \in x\} $,那么S是否属于自身就会导出矛盾。数学大厦遭遇了危机。后来数学家们用新的公理替代Cantor原则,形成了公理化集合论。

……



什么是命题,什么是论证

首先看一组自然语言:

  1. “明天会下雨”

  2. “Tomorrow will rain”

  3. “$2+3=5$”

  4. “$2^{=3}+5$”

  5. “别吃冰淇淋”

  6. “吃什么口味的?”

1和2是不同的语句,但对于一个同时掌握中文和英文的人来说,会认为1和2想要表达某种相同的东西,我们暂时称这种语句背后的“含义”为“命题”。那么,1的含义是什么呢?假如有人在2020年1月1日说了“明天会下雨”,这句话的含义是2020年1月2日会下雨;但假如此人是在2020年1月2日说了这句话,那么这句话的含义又变成了2020年1月3日会下雨。所以,同一个语句,也有可能表达多个含义。自然语言中充满了各种各样有歧义的语句。对于逻辑学家,想要追求确定性和唯一性,就不能容许含糊的歧义存在,把语义从语句中抽离出来,就是必要的工作。

语句被分为语法语义。简单来说,语法中包含一些符号,这些符号按特定的规则排列组合,使用这种语言的人遵循这些规则,就可以表达某种语义。以3和4为例,学过算术的人一眼就可以看懂3表达的含义,而4仅仅是把同样的一些符号换了换顺序,就让人看不懂了。

现在知道了是什么构成一个语句。开头说过,暂时把语句的“含义”叫做“命题”,那是不是所有有含义的语句都算作一个命题呢?来看看5和6,它们显然也都能传递一些信息,但对于一个具有古希腊演绎精神的哲学家用处不大。一个皇帝确实可以依仗手中的权力号令手下为他杀掉一个叛臣,但就算他破口大骂,也不能让一个没电的灯泡发出光来。同样,一个道士向上天询问日月星辰运行之理,答案也很难凭着打坐降临这颗虔诚的头脑。只有真伪才有意义,命题就是这样一些语句,它们非真即伪,必然可以判定(二值原则)。

判定命题真伪的过程就叫做论证。一般来说,一个论证由前提结论组成,并且前提和结论都必须是命题。看下面两个例子:

  1. 苏格拉底是人,人都会死,所以苏格拉底也会死。
  2. 苏格拉底会死,人都会死,所以苏格拉底是人。

人们会接受1的说法,但却不大会接受2的说法,即使2的前提是真的。当人们接受前提的情况下,一定也会接受结论,才可以称一个论证为正确的论证。如果我们换掉1中的“苏格拉底”,“人”,“会死”,在对应的位置换成其它项:

黑天鹅是天鹅,天鹅有两只翅膀,所以黑天鹅有两只翅膀。

只要我们承认黑天鹅是天鹅,天鹅有两只翅膀,那么就会认同结论是正确的。事实上,“苏格拉底”,“人”,“会死”可以换成任何东西,完全可以用符号代替,这样就可以抽象出论证的形式:

P 是 Q,所有的 Q 都是 R,所以 P 是 R。

按照一个有效论证的形式,只要前提为真,其结论就一定为真。这称为逻辑论证的可靠性(soundness)



逻辑系统

苏格拉底的例子是亚里士多德提出的经典“三段论”结构,其基本单位是项(terms),被称为语词逻辑(term logic)

还有一种常见的逻辑结构,以命题(proposition)为基本单位:

如果苹果熟了,那么苹果就会落地。

苹果熟了。

苹果会落地。

这种论证形式可以表示为:

若 P,则 Q

P

所以 Q

这种逻辑系统被称为命题逻辑(propositional logic),命题逻辑是一种很简单也很基本的逻辑系统,处理能力有限。

更复杂的逻辑系统有述词逻辑(predicate logic),把命题拆分为主词(subject)和述词(predicate);一阶逻辑(first order logic)(项、量词、加入关系述词等)等等。

……

以上的逻辑理论都基于一个基本的假设:命题必然非真即伪,这在语义学中被称为“二值原则”,而在亚里士多德提出的逻辑三大规律中被称为“排中律”。如果不满足这个基本假设,事实上,自然语言中这样的语句并不少见,比如:

明天气温会超过40摄氏度。

小光工作勤勤恳恳。

第一句话如果把“明天”看作永远未到来的“明天”,那这句话永远也无法判定真伪,只对可能性做了一个声明;

第二句话加入小光一辈子都没有找到一份工作,这句话也无法判定真伪。

处理这样的语句有另外的逻辑系统,比如模态逻辑直觉逻辑





参考

台大开放式课程 傅皓政《逻辑》