Logik für Informatiker
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- Wolfgang Fried
- vor 5 Jahren
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1 Logik für Informatiker 2. Aussagenlogik Teil Viorica Sofronie-Stokkermans Universität Koblenz-Landau sofronie@uni-koblenz.de 1
2 Bis jetzt Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Strukturelle Induktion (Induktion über Formelaufbau) Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Wahrheitstafelmethode 2
3 Erster Kalkül: Wahrheitstafelmethode Jede Formel F enthält endlich viele Aussagenvariablen. A(F) ist nur von den Werten dieser Aussagenvariablen abhängig. F enthält n Aussagenvariablen: 2 n Wertebelegungen notwendig um zu überprüfen, ob F erfüllbar/unerfüllbar/allgemeingültig ist oder nicht. Wahrheitstafel F allgemeingültig (Tautologie): A(F) = 1 für alle Wertbelegungen F erfüllbar: A(F) = 1 für zumindest eine Wertebelegung F unerfüllbar: A(F) = 0 für alle Wertebelegungen 3
4 Bis jetzt Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Strukturelle Induktion (Induktion über Formelaufbau) Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Wahrheitstafelmethode Wichtige Äquivalenzen Äquivalenzumformung als Kalkül (Substitutionstheorem) 4
5 Wichtige Äquivalenzen (Zusammengefasst) (F F) F (F F) F (Idempotenz) (F G) (G F) (F G) (G F) (Kommutativität) (F (G H)) ((F G) H) (F (G H)) ((F G) H) (Assoziativität) (F (F G)) F (F (F G)) F (Absorption) (F (G H)) ((F G) (F H)) (F (G H)) ((F G) (F H)) (Distributivität) ( F) F (Doppelte Negation) (F G) ( F G) (F G) ( F G) (De Morgan s Regeln) (F G) ( G F) (Kontraposition) (F G) ( F G) (Elimination Implikation) F G (F G) (G F) (Elimination Äquivalenz) 5
6 Ein zweiter Kalkül: Logische Umformung Definition: Äquivalenzumformung (Wiederholte) Ersetzung einer (Unter-)Formel durch äquivalente Formel Anwendung des Substitutionstheorems Theorem Äquivalenzumformung bildet mit den aufgelisteten wichtigen Äquivalenzen einen vollständigen Kalkül: Wenn F und G logisch äquivalent sind, kann F in G umgeformt werden. 6
7 Ein zweiter Kalkül: Logische Umformung Definition: Äquivalenzumformung (Wiederholte) Ersetzung einer (Unter-)Formel durch äquivalente Formel Anwendung des Substitutionstheorems Theorem Äquivalenzumformung bildet mit den aufgelisteten wichtigen Äquivalenzen einen vollständigen Kalkül: Wenn F und G logisch äquivalent sind, kann F in G umgeformt werden. Anwendung: Test für Erfüllbarkeit/Unerfüllbarkeit/Allgemeingültigkeit 7
8 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) 8
9 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) 9
10 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) (Elimination Implikation) 10
11 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) (Elimination Implikation) (De Morgan s Regel, ) 11
12 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (De Morgan s Regel, ) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Doppelte Negation, De Morgan, ) 12
13 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (De Morgan s Regel, ) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Doppelte Negation, De Morgan, ) ( P Q) (( Q R) (P R)) (Doppelte Negation) 13
14 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (De Morgan s Regel, ) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Doppelte Negation, De Morgan, ) ( P Q) (( Q R) (P R)) (Doppelte Negation) ( P Q) (( Q P R) (R P R)) (Distributivität) 14
15 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (De Morgan s Regel, ) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Doppelte Negation, De Morgan, ) ( P Q) (( Q R) (P R)) (Doppelte Negation) ( P Q) (( Q P R) (R P R)) (Distributivität) ( P Q) (( Q P R) (R R P)) (Kommutativität) 15
16 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (De Morgan s Regel, ) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Doppelte Negation, De Morgan, ) ( P Q) (( Q R) (P R)) (Doppelte Negation) ( P Q) (( Q P R) (R P R)) (Distributivität) ( P Q) (( Q P R) (R R P)) (Kommutativität) ( P Q) (( Q P R) ) (Äquivalenzen mit ) ( P Q) ( Q P R) (Äquivalenzen mit ) 16
17 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (De Morgan s Regel, ) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Doppelte Negation, De Morgan, ) ( P Q) (( Q R) (P R)) (Doppelte Negation) ( P Q) (( Q P R) (R P R)) (Distributivität) ( P Q) (( Q P R) (R R P)) (Kommutativität) ( P Q) (( Q P R) ) (Äquivalenzen mit ) ( P Q) ( Q P R) (Äquivalenzen mit ) ( P Q P R) (Q Q P R) (Distributivität) ( P P Q R) (Q Q P R) (Kommutativität) 17
18 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (De Morgan s Regel, ) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Doppelte Negation, De Morgan, ) ( P Q) (( Q R) (P R)) (Doppelte Negation) ( P Q) (( Q P R) (R P R)) (Distributivität) ( P Q) (( Q P R) (R R P)) (Kommutativität) ( P Q) (( Q P R) ) (Äquivalenzen mit ) ( P Q) ( Q P R) (Äquivalenzen mit ) ( P Q P R) (Q Q P R) (Distributivität) ( P P Q R) (Q Q P R) (Kommutativität) (( P P) Q R) ((Q Q) P R) (Assoziativität) 18
19 Beispiel (P Q) ((Q R) (P R)) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (Elimination Implikation) ( P Q) ( ( Q R) ( P R)) (De Morgan s Regel, ) ( P Q) (( Q R) ( P R)) (Doppelte Negation, De Morgan, ) ( P Q) (( Q R) (P R)) (Doppelte Negation) ( P Q) (( Q P R) (R P R)) (Distributivität) ( P Q) (( Q P R) (R R P)) (Kommutativität) ( P Q) (( Q P R) ) (Äquivalenzen mit ) ( P Q) ( Q P R) (Äquivalenzen mit ) ( P Q P R) (Q Q P R) (Distributivität) ( P P Q R) (Q Q P R) (Kommutativität) (( P P) Q R) ((Q Q) P R) (Assoziativität) (Äquivalenzen mit ) 19
20 Allgemeingültigkeit/Folgerung F,G Formeln Theorem. F = G gdw. = F G. 20
21 Allgemeingültigkeit/Folgerung F,G Formeln; N Formelmenge. Theorem. F = G gdw. = F G. Theorem. N {F } = G gdw. N = F G. 21
22 Allgemeingültigkeit/Folgerung F,G Formeln; N Formelmenge. Theorem. F = G gdw. = F G. Theorem. N {F } = G gdw. N = F G. Theorem. F G gdw. = F G. 22
23 Unerfüllbarkeit/Allgemeingültigkeit/Folgerung F,G Formeln Theorem. F ist allgemeingültig gdw. F ist unerfüllbar. 23
24 Unerfüllbarkeit/Allgemeingültigkeit/Folgerung F,G Formeln Theorem. F ist allgemeingültig gdw. F ist unerfüllbar. Theorem. F = G gdw. F G ist unerfüllbar. 24
25 Unerfüllbarkeit/Allgemeingültigkeit/Folgerung F,G Formeln; N Formelmenge. Theorem. F ist allgemeingültig gdw. F ist unerfüllbar. Theorem. F = G gdw. F G ist unerfüllbar. Theorem. N = G gdw. N G ist unerfüllbar. 25
26 Unerfüllbarkeit/Allgemeingültigkeit/Folgerung F,G Formeln; N Formelmenge. Theorem. F ist allgemeingültig gdw. F ist unerfüllbar. Theorem. F = G gdw. F G ist unerfüllbar. Theorem. N = G gdw. N G ist unerfüllbar. Nota bene: falls N unerfüllbar, so N = G für jede Formel G 26
27 Unerfüllbarkeit/Allgemeingültigkeit/Folgerung F,G Formeln; N Formelmenge. Theorem. F ist allgemeingültig gdw. F ist unerfüllbar. Theorem. F = G gdw. F G ist unerfüllbar. Theorem. N = G gdw. N G ist unerfüllbar. Nota bene: falls N unerfüllbar, so N = G für jede Formel G... auch für. Notation: N = für N unerfüllbar. 27
28 Unser Ziel Kalkül(e) zur systematischen Überprüfung von Erfüllbarkeit (für Formeln und/oder Formelmengen) 28
29 Unser Ziel Kalkül(e) zur systematischen Überprüfung von Erfüllbarkeit (für Formeln und/oder Formelmengen) Dazu brauchen wir Normalformen 29
30 Normalformen Definition: Atom: aussagenlogische Variable Literal: Atom, oder negation eines Atoms 30
31 Normalformen Definition: Atom: aussagenlogische Variable Literal: Atom, oder negation eines Atoms Definition: Klausel: Eine Disjunktion von Literalen mehrstellige Disjunktionen (P Q R), (P P Q) einstellige Disjunktionen P die nullstellige Disjunktion (leere Klausel) 31
32 Normalformen Definition: Konjunktive Normalform (KNF): Eine Konjunktion von Disjunktionen von Literalen, d.h., eine Konjunktion von Klauseln 32
33 Normalformen Definition: Konjunktive Normalform (KNF): Eine Konjunktion von Disjunktionen von Literalen, d.h., eine Konjunktion von Klauseln mehrstellig, einstellig oder nullstellig 33
34 Normalformen Definition: Konjunktive Normalform (KNF): Eine Konjunktion von Disjunktionen von Literalen, d.h., eine Konjunktion von Klauseln mehrstellig, einstellig oder nullstellig Beispiele: (P Q) (Q R S) P Q P (Q R) P Q P P 34
35 Normalformen Definition: Disjunktive Normalform (DNF): Eine Disjunktion von Konjunktionen von Literalen. mehrstellig, einstellig oder nullstellig Beispiele: (P Q) (Q R S) P Q P (Q R) P Q P P 35
36 Normalformel Eigenschaften: Zu jeder aussagenlogischen Formel gibt es: - eine äquivalente Formel in KNF - eine äquivalente Formel in DNF 36
37 Normalformel Eigenschaften: Zu jeder aussagenlogischen Formel gibt es: - eine äquivalente Formel in KNF - eine äquivalente Formel in DNF Diese äquivalenten Formeln in DNF bzw. KNF sind nicht eindeutig 37
38 Normalformel Eigenschaften: Zu jeder aussagenlogischen Formel gibt es: - eine äquivalente Formel in KNF - eine äquivalente Formel in DNF Diese äquivalenten Formeln in DNF bzw. KNF sind nicht eindeutig Solche Formeln können aus einer Wahrheitstafel abgelesen werden 38
39 Beispiel F : (P Q) (( P Q) R) P Q R (P Q) P ( P Q) (( P Q) R) F
40 Beispiel F : (P Q) (( P Q) R) P Q R (P Q) P ( P Q) (( P Q) R) F
41 Beispiel F : (P Q) (( P Q) R) P Q R (P Q) P ( P Q) (( P Q) R) F DNF: ( P Q R) ( P Q R) (P Q R) (P Q R) 41
42 Beispiel F : (P Q) (( P Q) R) P Q R (P Q) P ( P Q) (( P Q) R) F F DNF für F: ( P Q R) ( P Q R) (P Q R) (P Q R) 42
43 Beispiel F : (P Q) (( P Q) R) P Q R (P Q) P ( P Q) (( P Q) R) F F DNF für F: ( P Q R) ( P Q R) (P Q R) (P Q R) KNF für F: (P Q R) (P Q R) ( P Q R) ( P Q R) 43
44 Normalformel DNF für F: _ A:{P 1,...,Pn } {0,1} A(F)=1 (P A(P 1) 1 P A(P n) n ) wobei: P 0 = P P 1 = P 44
45 Normalformel DNF für F: _ A:{P 1,...,Pn } {0,1} A(F)=1 (P A(P 1) 1 P A(P n) n ) wobei: P 0 = P P 1 = P Theorem Für alle Interpretationen A : {P 1,...,P n } {0,1}: _ A (F) = 1 gdw. A ( (P A(P 1) 1 P A(P n) n )) = 1. A:{P 1,...,Pn} {0,1} A(F)=1 45
46 Normalformel DNF für F: _ A:{P 1,...,Pn } {0,1} A(F)=1 (P A(P 1) 1 P A(P n) n ) wobei: P 0 = P P 1 = P KNF für F: F, wobei F die DNF von F ist. 46
47 Normalformel Eigenschaften: Zu jeder aussagenlogischen Formel gibt es: - eine äquivalente Formel in KNF - eine äquivalente Formel in DNF Diese äquivalenten Formeln in DNF bzw. KNF sind nicht eindeutig Solche Formeln können aus einer Wahrheitstafel abgelesen werden Solche Formeln können durch Umformungen hergestellt werden 47
48 Umformung in KNF Vier Schritte: 48
49 Umformung in KNF Vier Schritte: 1. Elimination von Verwende A B (A B) (B A) 49
50 Umformung in KNF Vier Schritte: 1. Elimination von Verwende A B (A B) (B A) 2. Elimination von Verwende A B ( A B) 50
51 Umformung in KNF Vier Schritte: 1. Elimination von Verwende A B (A B) (B A) 2. Elimination von Verwende A B ( A B) 3. Nach innen schieben von Verwende de Morgans Regeln und A A 51
52 Umformung in KNF Vier Schritte: 1. Elimination von Verwende A B (A B) (B A) 2. Elimination von Verwende A B ( A B) 3. Nach innen schieben von Verwende de Morgans Regeln und A A 4. Nach innen schieben von Verwende Distributivität von über 52
53 Umformung in KNF: Beispiel Gegeben: P (Q R) 53
54 Umformung in KNF: Beispiel Gegeben: P (Q R) 1. Elimination von (P (Q R)) ((Q R) P) 54
55 Umformung in KNF: Beispiel Gegeben: P (Q R) 1. Elimination von (P (Q R)) ((Q R) P) 2. Elimination von ( P Q R) ( (Q R) P) 55
56 Umformung in KNF: Beispiel Gegeben: P (Q R) 1. Elimination von (P (Q R)) ((Q R) P) 2. Elimination von ( P Q R) ( (Q R) P) 3. Nach innen schieben von ( P Q R) (( Q R)) P) 56
57 Umformung in KNF: Beispiel Gegeben: P (Q R) 1. Elimination von (P (Q R)) ((Q R) P) 2. Elimination von ( P Q R) ( (Q R) P) 3. Nach innen schieben von ( P Q R) (( Q R)) P) 4. Nach innen schieben von ( P Q R) ( Q P) ( R P)) 57
58 Beispiel zur exponentiellen Länge der KNF Gegeben: A n = (P 11 P 12 ) (P n1 P n2 ) 58
59 Beispiel zur exponentiellen Länge der KNF Gegeben: A n = (P 11 P 12 ) (P n1 P n2 ) Zu A n äquivalente KNF ^ (P 1,f (1) P n,f (n) ) f :{1,...,n} {1,2} 59
60 Beispiel zur exponentiellen Länge der KNF Gegeben: A n = (P 11 P 12 ) (P n1 P n2 ) Zu A n äquivalente KNF ^ (P 1,f (1) P n,f (n) ) f :{1,...,n} {1,2} Größe der KNF: Klausel in KNF von A n : 2 n 60
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