Schlussregeln aus anderen Kalkülen

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1 Was bisher geschah Klassische Aussagenlogik: Syntax Semantik semantische Äquivalenz und Folgern syntaktisches Ableiten (Resolution) Modellierung in Aussagenlogik: Wissensrepräsentation, Schaltungslogik, 90

2 Schlussregeln aus anderen Kalkülen Resolutionsregel: ϕ ψ η ψ ϕ η weitere Schlussregeln als Spezialfälle der Resolutionsregel: Modus Ponens ϕ ϕ ψ ψ Modus Tollens ψ ϕ ψ ϕ Disjunktiver Syllogismus ψ ϕ ψ ϕ Hypothetischer Syllogismus ϕ ψ ψ η ϕ η 91

3 Hilbert-Kalkül H für die Aussagenlogik Der Hilbert-Kalkül H besteht aus einem Regelschema: Modus Ponens: und mehrere Axiomenschemata A A B B H1 A (B A) H2 (A (B C)) ((A B) (A C)) H3 ( A B) (( A B) A) Beispiel: H p p 92

4 Vollständigkeit und Korrektheit des Hilbert-Kalküls (ohne Beweise) Satz (Korrektheit) Für jede Formel ϕ AL(P) gilt: Aus H ϕ folgt = ϕ. (Jede im Hilbert-Kalkül beweisbare Formel ist allgemeingültig.) Satz (Vollständigkeit) Für jede Formel ϕ AL(P) gilt: Aus = ϕ folgt H ϕ. (Jede allgemeingültige Formel ist im Hilbert-Kalkül beweisbar.) Satz (Deduktionstheorem) Φ {ψ} H η gilt genau dann, wenn Φ H ψ η. 93

5 Modellierungsbeispiel: Winterbekleidung Wenn es kalt ist, trägt Paul immer eine Mütze, einen Schal oder Handschuhe. (m s h) Ohne Handschuhe oder Schal trägt er keine Mütze. ( (h s) m) Mütze und Handschuhe trägt er nie zusammen. ( (m h)) Handschuhe und Schal trägt er immer zugleich. (h s) Modellierung als Klauselmenge Φ = {m h s, m h s, m h, h s, s h} Wie kann er sich kleiden? Lösung: Modell (erfüllende Belegung) 94

6 Modellierungsbeispiel: Bahnfahrer (Übungsaufgabe 1.3) In einem Eisenbahnabteil sitzen die Herren Lehmann, Müller und Schmidt. Einer ist Sachse, einer Thüringer und einer Brandenburger. Wenn Herr Lehmann Brandenburger ist, dann ist Herr Müller Thüringer. Wenn Herr Lehmann Thüringer ist, ist Herr Müller Sachse. Wenn Herr Müller kein Brandenburger ist, ist Herr Schmidt Thüringer. Wenn Herr Schmidt Sachse ist, ist Herr Lehmann Thüringer. Was für ein Landsmann ist jeder? Modellierung der expliziten und impliziten (aus jedem Land genau einer) Bedingungen durch aussagenlogische Formeln (Tafel) Lösung: Modell (erfüllende Belegung) 95

7 Modellierungsbeispiel: n-damen Frage: Lassen sich n Damen so auf einem n n-schachbrett anordnen, dass keine Dame eine andere bedroht? Lösung: Anordnung, falls möglich Bedingungen: n Damen auf dem Feld keine Zeilenbedrohung keine Spaltenbedrohung keine diagonale Bedrohung 96

8 Repräsentation des 3-Damen-Problems 9 Felder Aussagenvariablen {1,..., 9} Bedingungen: n Damen auf dem Feld, (in jeder Zeile eine Dame) 1 2 3, 4 5 6, keine Zeilenbedrohung 1 2, 1 3, , 4 6, , 7 9, 8 9 keine Spaltenbedrohung 1 4, 1 7, , 2 8, , 3 9, 6 9 keine diagonale Bedrohung 1 5, 1 9, , , 3 7, , 6 8 Lösung: Modell (erfüllende Belegung) 97

9 SAT-Solver SAT-Solver: Werkzeug zum Lösen von CNF-SAT-Instanzen Erfüllbarkeitsproblem für CNF (CNF-SAT) schwierig (in ungünstigen Fällen) SAT-Solver benutzen heuristische Verfahren, finden für praktische Probleme oft schnell eine Lösung, meist Ausgabe einer erfüllenden Belegung (wenn eine existiert) aktive Forschung auf diesem Gebiet: jährlich Wettbewerbe ( 3-Damen-Problem hat keine Lösung (unerfüllbar) eine mögliche Lösung für das 4-Damen-Problem:

10 Algorithmische Entscheidbarkeit der Aussagenlogik Es existieren Verfahren, welche für jede Formel ϕ AL(P) entscheiden, ob ϕ erfüllbar ist, z.b. semantisch Modellmengen, WW-Tabelle syntaktisch f aus ϕ durch Resolution nicht ableitbar ϕ unerfüllbar ist, z.b. semantisch Modellmengen, WW-Tabelle syntaktisch Ableitung von f aus ϕ durch Resolution ϕ allgemeingültig ist, z.b. semantisch Modellmengen, WW-Tabelle syntaktisch Ableitung von f aus ϕ durch Resolution für jedes Paar von Formeln ϕ, ψ AL(P) entscheiden, ob ϕ und ψ semantisch äquivalent sind (d.h. ϕ ψ) semantisch Modellmengen, WW-Tabelle syntaktisch äquivalente Umformungen für jede Formelmenge Φ AL(P) und jede Formel ψ AL(P) entscheiden, ob ψ aus Φ folgt (d.h. Φ = ψ) semantisch Modellmengen, WW-Tabelle syntaktisch Ableitung von f aus Φ { ψ} durch Resolution 99

11 Grundbegriffe der Aussagenlogik Syntax Junktoren Aussagenvariablen Atom, Literal Formeln äquivalente Umformung Junktorbasen Normalformen (CNF, DNF) Minimierung syntaktisches Ableiten Resolution Semantik Wahrheitswertfunktionen Boolesche Algebra (Gesetze) Belegungen Modelle Wahrheitswerttabellen erfüllbar, unerfüllbar allgemeingültig semantische Äquivalenz (Wahrheitswerttabellen) semantisches Folgern 100

12 Klassische Aussagenlogik (Zusammenfassung) deklarative Beschreibung von Problemen: Erfüllbarkeitsprobleme, z.b. kombinatorische Suche: n-damen, Planen Allgemeingültigkeitsprobleme, z.b. Entwurf digitaler Schaltungen Unerfüllbarkeitsprobleme, z.b. Programmverifikation (Nachweis der Korrektkeit) Folgerungsprobleme, z.b. automatisches Beweisen Lösung der durch aussagenlogische Formeln beschriebene Probleme durch Standard-Verfahren (z.b. Wahrheitswerttabellen, Resolution, SAT-Solver) 101

13 Beschränkte Ausdrucksstärke der Aussagenlogik Aussagen immer zweiwertig (nur wahr oder falsch, keine Zwischenwerte), z.b.: Die Rose ist rot. Das Bier ist kalt. Der Student ist fleißig. (Erweiterung zu mehrwertigen Logiken, fuzzy logic) Aussagen immer absolut (keine Abhängigkeit vom Kontext, z.b. Ort, Zeitpunkt), z.b.: Es regnet. (Erweiterung zur Modal- und Temporallogiken) Aussagen über alle Elemente großer Mengen aufwendig (Erstellung, Platzbedarf), z.b. n-damen-problem keine Aussagen über Elemente einer unendlichen Mengen oder Mengen unbestimmter Mächtigkeit möglich, z.b. Jede durch 4 teilbare Zahl ist gerade. Es gibt eine gerade Primzahl. Es ist nicht alles Gold was glänzt. (Erweiterung zur Prädikatenlogik) 102