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数学 / kripke-semantics

克里普克语义

克里普克语义在由可达关系连接的世界或状态上解释逻辑公式,为模态逻辑和直觉主义逻辑提供模型。

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克里普克语义是语义学和模型论中的一类方法,在关系结构的各个点上求取逻辑公式的真值。这些点可以表示可能世界、信息状态或计算状态。点之间的关系决定了公式如何涉及其他点。其主要形式分别解释模态逻辑和直觉主义逻辑,并采用不同的规则来解释这两种逻辑的联结词。(ai.stanford.edu)

历史发展

索尔·A. 克里普克于1959年取得了具有重要影响的模态逻辑完备性成果,并在《模态逻辑的语义分析 I》(1963年)中系统论述了正规模态命题演算。他的《直觉主义逻辑的语义分析 I》(1965年)为直觉主义谓词逻辑引入了关系模型,并证明了这种解释下的完备性。这些进展使关系结构成为研究非经典逻辑的核心工具。(onlinelibrary.wiley.com)

框架、模型与模态真值

**克里普克框架**是一个有序对

F=(W,R),F=(W,R),

其中,WW 是非空集合,R⊆W×WR\subseteq W\times W 是一个二元关系,称为可达关系。记号 wRvwRv 表示从 ww 可以到达 vv。**克里普克模型**则在框架上增加一个赋值:

M=(W,R,V).M=(W,R,V).

对于每个命题字母 pp,V(p)⊆WV(p)\subseteq W 指定了 pp 为真的那些点。(filosoficas.unam.mx)

满足关系的记号 M,w⊨φM,w\models\varphi 表示,在模型 MM 中,φ\varphi 在点 ww 上为真。在经典模态逻辑中,命题逻辑的联结词保留其通常的局部含义:

M,w⊨p  ⟺  w∈V(p),M,w⊨¬φ  ⟺  M,w⊭φ,M,w⊨φ∧ψ  ⟺  M,w⊨φ 且 M,w⊨ψ.\begin{aligned} M,w\models p &\iff w\in V(p),\\ M,w\models\neg\varphi &\iff M,w\not\models\varphi,\\ M,w\models\varphi\land\psi &\iff M,w\models\varphi\text{ 且 }M,w\models\psi. \end{aligned}

必然性和可能性则由涉及可达关系的条件定义:

M,w⊨□φ  ⟺  ∀v (wRv⇒M,v⊨φ),M,w⊨◊φ  ⟺  ∃v (wRv∧M,v⊨φ).\begin{aligned} M,w\models\Box\varphi &\iff \forall v\,(wRv\Rightarrow M,v\models\varphi),\\ M,w\models\Diamond\varphi &\iff \exists v\,(wRv\land M,v\models\varphi). \end{aligned}

因此,□φ\Box\varphi 涉及所有可达点,而 ◊φ\Diamond\varphi 涉及至少一个可达点。两者互为对偶:◊φ\Diamond\varphi 等价于 ¬□¬φ\neg\Box\neg\varphi。(filosoficas.unam.mx)

例如,设从 ww 恰好可以到达 uu 和 vv,且 pp 在 uu 上为真、在 vv 上为假。根据上述条件,有

M,w⊨◊p,M,w⊭□p.M,w\models\Diamond p, \qquad M,w\not\models\Box p.

除非 wRwwRw,否则 pp 在 ww 本身上的真值与这两个判断无关。在没有可达后继的点上,所有必然性公式都空真,所有可能性公式都为假。这些都是全称量化条件和存在量化条件的直接结果。

有效性与框架对应

逻辑有效性包含几个不同层次。一个公式如果在某个模型的每个点上都成立,就在该模型中有效;如果在某个框架的每个点上、在任意赋值下都成立,就在该框架上有效。在某类框架上有效,则要求它在该类中的每个框架上都有效。因此,仅检查一个赋值并不能证明公式在框架上有效。(ai.stanford.edu)

模态公理模式往往与可达关系的结构条件精确对应:

公理模式 公式 对应的框架条件
T □p→p\Box p\to p 自反性:wRwwRw
D □p→◊p\Box p\to\Diamond p 序列性:每个点都有后继
4 □p→□□p\Box p\to\Box\Box p 传递性:wRv∧vRu⇒wRuwRv\land vRu\Rightarrow wRu
B p→□◊pp\to\Box\Diamond p 对称性:wRv⇒vRwwRv\Rightarrow vRw
5 ◊p→□◊p\Diamond p\to\Box\Diamond p 右欧几里得性:wRv∧wRu⇒vRuwRv\land wRu\Rightarrow vRu

这些对应关系对所有赋值进行量化,而不只是针对某个特定模型的赋值。(ai.stanford.edu)

例如,自反性保证 T 成立,因为 ww 本身也在从它可达的点之中。反过来,如果 wRwwRw 不成立,就让 pp 在 ww 的所有后继上为真,而在 ww 上为假。此时,□p\Box p 在 ww 上成立,但 pp 不成立,从而使 T 不成立。

可靠性与完备性

如果一个演绎系统的每个定理都在某类框架上有效,就称该系统相对于这类框架具有可靠性;如果在这类框架上有效的每个公式都是该系统的定理,就称它具有完备性。标准例子包括:T 相对于自反框架,S4 相对于自反且传递的框架,以及 S5 相对于可达关系为等价关系的框架。(filosoficas.unam.mx)

完备性并非自然成立。有些正规模态逻辑是克里普克不完备的:不存在一类普通克里普克框架,使得在这类框架上有效的公式恰好就是该逻辑的定理。这种不完备性涉及证明系统与普通框架语义之间的匹配问题,而不意味着无法在关系模型中求取公式的真值。(arxiv.org)

直觉主义强迫关系

直觉主义模型通常使用一个偏序集 (W,≤)(W,\leq),将其解释为信息不断增长的各个阶段。原子命题的赋值具有持久性:

w≤v,w⊩p⇒v⊩p.w\leq v,\quad w\Vdash p \quad\Rightarrow\quad v\Vdash p.

这里,⊩\Vdash 表示强迫关系。合取和析取在当前点上进行判断,而蕴涵则考察所有扩展:

w⊩φ→ψ  ⟺  ∀v≥w (v⊩φ⇒v⊩ψ).w\Vdash\varphi\to\psi \iff \forall v\geq w\, (v\Vdash\varphi\Rightarrow v\Vdash\psi).

没有任何点强迫假命题 ⊥\bot,否定则定义为 ¬φ=φ→⊥\neg\varphi=\varphi\to\bot。因此,

w⊩¬φ  ⟺  不存在强迫 φ 的 v≥w.w\Vdash\neg\varphi \iff \text{不存在强迫 }\varphi\text{ 的 }v\geq w.

持久性不仅适用于原子命题,也适用于所有公式。关键在于,不强迫一个命题与强迫该命题的否定并不相同。(princeton.edu)

要构造一个使排中律不成立的具体反模型,可以取两个点 w<vw<v,并令 pp 仅在 vv 上被强迫。在 ww 上,pp 和 ¬p\neg p 都不被强迫:pp 尚未得到确立,但扩展点 vv 确立了它。因此,

w⊮p∨¬p.w\not\Vdash p\lor\neg p.

这个模型表示的是信息不完全,而不是矛盾。

对于直觉主义一阶逻辑,每个点还带有一个非空论域 D(w)D(w),并且只要 w≤vw\leq v,就有 D(w)⊆D(v)D(w)\subseteq D(v)。强迫存在量化公式要求在当前论域中有一个见证;强迫全称量化公式则需要考察每个后续点及其论域中的每个元素。(princeton.edu)

应用与局限

在计算机科学中,克里普克结构用来表示状态迁移系统。这些结构通常包含初始状态,以及一个记录各状态上哪些原子命题成立的标记函数。模型检测检验这些结构是否满足规约;时序逻辑还描述沿路径发生的行为,例如一个请求是否最终会得到响应。这为形式验证提供了支持,不过状态空间爆炸和系统模型不准确仍是重要的限制因素。(cs.cmu.edu)

可达关系不一定表示物理上的可能性。它可以编码计算中的状态迁移,也可以编码与主体所掌握信息相关的各种备选情形。因此,选择框架条件是选择数学模型的一部分,而不是对必然性或知识的所有解释作出普遍断言。(ai.stanford.edu)

双模拟揭示了表达能力的另一项局限:如果两个点的原子事实一致,且其迁移能够双向匹配,那么它们就满足相同的基本模态公式。代数语义、拓扑语义和邻域语义等其他框架,则提供了解释模态语言的不同方式。(ai.stanford.edu)

参考来源

  1. Semantical Analysis of Modal Logic I Normal Modal Propositional Calculifilosoficas.unam.mx
  2. Semantical Analysis of Intuitionistic Logic Iprinceton.edu
  3. Modal Logic: A Semantic Perspectiveai.stanford.edu
  4. A new version of an old modal incompleteness theoremarxiv.org
  5. Introduction to Model Checkingcs.cmu.edu