Logik für Informatiker
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- Marielies Albrecht
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1 Vorlesung Logik für Informatiker 4. Aussagenlogik Syntax und Semantik der Aussagenlogik Bernhard Beckert Universität Koblenz-Landau Sommersemester 2006 Logik für Informatiker, SS 06 p.1
2 Syntax der Aussagenlogik: Logische Zeichen 1 Symbol für den Wahrheitswert wahr 0 Symbol für den Wahrheitswert falsch Logik für Informatiker, SS 06 p.2
3 Syntax der Aussagenlogik: Logische Zeichen 1 Symbol für den Wahrheitswert wahr 0 Symbol für den Wahrheitswert falsch Negationssymbol ( nicht ) Logik für Informatiker, SS 06 p.2
4 Syntax der Aussagenlogik: Logische Zeichen 1 Symbol für den Wahrheitswert wahr 0 Symbol für den Wahrheitswert falsch Negationssymbol ( nicht ) Konjunktionssymbol ( und ) Disjunktionssymbol ( oder ) Implikationssymbol ( wenn... dann ) Symbol für Äquivalenz ( genau dann, wenn ) Logik für Informatiker, SS 06 p.2
5 Syntax der Aussagenlogik: Logische Zeichen 1 Symbol für den Wahrheitswert wahr 0 Symbol für den Wahrheitswert falsch Negationssymbol ( nicht ) Konjunktionssymbol ( und ) Disjunktionssymbol ( oder ) Implikationssymbol ( wenn... dann ) Symbol für Äquivalenz ( genau dann, wenn ) ( ) die beiden Klammern Logik für Informatiker, SS 06 p.2
6 Vokabular der Aussagenlogik: Signatur Definition: Aussagenlogische Signatur Abzählbare Menge von Symbolen, etwa Σ = {P 0,..., P n } oder Σ = {P 0, P 1,...} Logik für Informatiker, SS 06 p.3
7 Vokabular der Aussagenlogik: Signatur Definition: Aussagenlogische Signatur Abzählbare Menge von Symbolen, etwa Σ = {P 0,..., P n } oder Σ = {P 0, P 1,...} Bezeichnungen für Symbole in Σ atomare Aussagen Atome Aussagevariablen Logik für Informatiker, SS 06 p.3
8 Formeln der Aussagenlogik Definition: Menge For0 Σ der Formeln über Σ Die kleinste Menge mit: 1 For0 Σ und 0 For0 Σ Logik für Informatiker, SS 06 p.4
9 Formeln der Aussagenlogik Definition: Menge For0 Σ der Formeln über Σ Die kleinste Menge mit: 1 For0 Σ und 0 For0 Σ Σ For0 Σ Logik für Informatiker, SS 06 p.4
10 Formeln der Aussagenlogik Definition: Menge For0 Σ der Formeln über Σ Die kleinste Menge mit: 1 For0 Σ und 0 For0 Σ Σ For0 Σ Wenn A, B For0 Σ, dann auch A, (A B), (A B), (A B), (A B) Elemente von For0 Σ Logik für Informatiker, SS 06 p.4
11 Beispiel: Formeln aus der Wumpus-Welt Aussagenlogische Variablen P i,j bedeutet: B i,j bedeutet: Grube in [i, j] Luftzug in [i, j] P 1,1 B 1,1 B 2,1 Logik für Informatiker, SS 06 p.5
12 Beispiel: Formeln aus der Wumpus-Welt Aussagenlogische Variablen P i,j bedeutet: B i,j bedeutet: Grube in [i, j] Luftzug in [i, j] P 1,1 B 1,1 B 2,1 Formeln Gruben bewirken Luftzug in angrenzenden Feldern P 1,2 (B 1,1 B 1,3 B 2,2 ) Luftzug in einem Feld gdw. es an eine Grube grenzt B 1,1 (P 1,2 P 2,1 ) B 2,1 (P 1,1 P 2,2 P 3,1 ) Logik für Informatiker, SS 06 p.5
13 Induktion über Formelaufbau: Beispiel Lemma Ist A For0 Σ und sind B, C Teilformeln von A, dann gilt C ist Teilformel von B, oder B ist Teilformel von C, oder B, C liegen getrennt Beweis: Durch noethersche Induktion über den Formelaufbau Logik für Informatiker, SS 06 p.6
14 Semantik der Aussagenlogik Σ eine aussagenlogische Signatur Definition: Aussagenlogisches Modell (Interpretation) Eine beliebige Abbildung I : Σ {true, false} Logik für Informatiker, SS 06 p.7
15 Semantik der Aussagenlogik Σ eine aussagenlogische Signatur Definition: Aussagenlogisches Modell (Interpretation) Eine beliebige Abbildung I : Σ {true, false} Beispiel A B C true true false (Bei drei Symbolen gibt es 8 mögliche Modelle) Logik für Informatiker, SS 06 p.7
16 Semantik der Aussagenlogik Definition: Auswertung von Formeln in einem Modell Zu Modell / Interpretation I val I : For0 Σ {true, false} mit: val I (1) = true val I (0) = false val I (P) = I(P) für P Σ Logik für Informatiker, SS 06 p.8
17 Semantik der Aussagenlogik und: val I ( A) = false falls val I (A) = true true falls val I (A) = false Logik für Informatiker, SS 06 p.9
18 Semantik der Aussagenlogik und: val I (A B) = val I (A B) = true falls val I (A) = true und val I (B) = true false sonst true falls val I (A) = true oder val I (B) = true false sonst Logik für Informatiker, SS 06 p.10
19 Semantik der Aussagenlogik und: val I (A B) = true falls val I (A) = false oder val I (B) = true false val I (A B) = sonst true falls val I (A) = val I (B) false sonst Logik für Informatiker, SS 06 p.11
20 Wahrheitstafel für die logischen Operatoren A B A A B A B A B A B false false true false false true true false true true false true true false true false false false true false false true true false true true true true Logik für Informatiker, SS 06 p.12
21 Uniforme Notation Konjunktive Formeln: Typ α Disjunktive Formeln: Typ β Raymond Smullyan Logik für Informatiker, SS 06 p.13
22 Uniforme Notation Konjunktive Formeln: Typ α A A B (A B) (A B) Disjunktive Formeln: Typ β Raymond Smullyan Logik für Informatiker, SS 06 p.13
23 Uniforme Notation Konjunktive Formeln: Typ α A A B (A B) (A B) Disjunktive Formeln: Typ β (A B) A B A B Raymond Smullyan Logik für Informatiker, SS 06 p.13
24 Uniforme Notation Zuordnungsregeln Formeln / Unterformeln α α 1 α 2 A B A B (A B) A B (A B) A B A A A Logik für Informatiker, SS 06 p.14
25 Uniforme Notation Zuordnungsregeln Formeln / Unterformeln α α 1 α 2 A B A B (A B) A B (A B) A B β β 1 β 2 (A B) A B A B A B A B A B A A A Logik für Informatiker, SS 06 p.14
26 Uniforme Notation: Beispiel der Anwendung Alternative Art der Definition von val I val I (α) = val I (β) = true falls val I (α 1 ) = true und val I (α 2 ) = true false sonst true falls val I (β 1 ) = true oder val I (β 2 ) = true false sonst Logik für Informatiker, SS 06 p.15
27 Uniforme Notation: Beispiel der Anwendung Alternative Art der Definition von val I val I (α) = val I (β) = true falls val I (α 1 ) = true und val I (α 2 ) = true false sonst true falls val I (β 1 ) = true oder val I (β 2 ) = true false sonst Umfaßt Definition von val I für alle Operatoren außer: 1, 0,, Logik für Informatiker, SS 06 p.15
28 Modell einer Formel(menge) Definition: Modell einer Formel Modell / Interpretation I ist Modell einer Formel A For0 Σ, falls val I (A) = true Logik für Informatiker, SS 06 p.16
29 Modell einer Formel(menge) Definition: Modell einer Formel Modell / Interpretation I ist Modell einer Formel A For0 Σ, falls val I (A) = true Definition: Modell einer Formelmenge Modell / Interpretation I ist Modell einer Formelmenge M For0 Σ, falls val I (A) = true für alle A M Logik für Informatiker, SS 06 p.16
30 Zur Erinnerung: Logische Folgerbarkeit Definition: Logische Folgerbarkeit Formel A folgt logisch aus Formelmenge KB gdw. alle Modelle von KB sind auch Modell von A Notation KB = α Logik für Informatiker, SS 06 p.17
31 Ein erster Kalkül: Wahrheitstafelmethode Beispielformel α = A B KB = (A C) (B C) Überprüfen ob KB = α A B C A C B C KB α false false false false false true false true false false true true true false false true false true true true false true true true Logik für Informatiker, SS 06 p.18
32 Ein erster Kalkül: Wahrheitstafelmethode Beispielformel α = A B KB = (A C) (B C) Überprüfen ob KB = α A B C A C B C KB α false false false false false false true true false true false false false true true true true false false true true false true true true true false true true true true true Logik für Informatiker, SS 06 p.18
33 Ein erster Kalkül: Wahrheitstafelmethode Beispielformel α = A B KB = (A C) (B C) Überprüfen ob KB = α A B C A C B C KB α false false false false true false false true true false false true false false true false true true true true true false false true true true false true true false true true false true true true true true true true Logik für Informatiker, SS 06 p.18
34 Ein erster Kalkül: Wahrheitstafelmethode Beispielformel α = A B KB = (A C) (B C) Überprüfen ob KB = α A B C A C B C KB α false false false false true false false false true true false false false true false false true false false true true true true true true false false true true true true false true true false false true true false true true true true true true true true true Logik für Informatiker, SS 06 p.18
35 Ein erster Kalkül: Wahrheitstafelmethode Beispielformel α = A B KB = (A C) (B C) Überprüfen ob KB = α A B C A C B C KB α false false false false true false false false false true true false false false false true false false true false true false true true true true true true true false false true true true true true false true true false false true true true false true true true true true true true true true true true Logik für Informatiker, SS 06 p.18
36 Ein erster Kalkül: Wahrheitstafelmethode Beispielformel α = A B KB = (A C) (B C) Überprüfen ob KB = α A B C A C B C KB α false false false false true false false false false true true false false false false true false false true false true false true true true true true true true false false true true true true true false true true false false true true true false true true true true true true true true true true true Logik für Informatiker, SS 06 p.18
37 Logische Äquivalenz Definition: Logische Äquivalenz Zwei Formeln sind logisch äquivalent, wenn sie in den gleichen Modellen wahr sind, d.h. α = β and β = α Logik für Informatiker, SS 06 p.19
38 Logische Äquivalenz Definition: Logische Äquivalenz Zwei Formeln sind logisch äquivalent, wenn sie in den gleichen Modellen wahr sind, d.h. α = β and β = α Notation α β Logik für Informatiker, SS 06 p.19
39 Logische Äquivalenz Definition: Logische Äquivalenz Zwei Formeln sind logisch äquivalent, wenn sie in den gleichen Modellen wahr sind, d.h. α = β and β = α Notation α β Beispiel (A B) ( B A) (Kontraposition) Logik für Informatiker, SS 06 p.19
40 Logische Äquivalenz Substitutionstheorem Wenn A B C ist das Ergebnis der Ersetzung einer Unterformel A in C durch B, dann C C Logik für Informatiker, SS 06 p.20
41 Logische Äquivalenz Substitutionstheorem Wenn A B C ist das Ergebnis der Ersetzung einer Unterformel A in C durch B, dann C C Beispiel A B B A impliziert (C (A B)) D (C (B A)) D Logik für Informatiker, SS 06 p.20
42 Wichtige Äquivalenzen (A B) (B A) Kommutativität von Logik für Informatiker, SS 06 p.21
43 Wichtige Äquivalenzen (A B) (B A) (A B) (B A) Kommutativität von Kommutativität von Logik für Informatiker, SS 06 p.21
44 Wichtige Äquivalenzen (A B) (B A) (A B) (B A) ((A B) C) (A (B C)) Kommutativität von Kommutativität von Assoziativität von Logik für Informatiker, SS 06 p.21
45 Wichtige Äquivalenzen (A B) (B A) (A B) (B A) ((A B) C) (A (B C)) ((A B) C) (A (B C)) Kommutativität von Kommutativität von Assoziativität von Assoziativität von Logik für Informatiker, SS 06 p.21
46 Wichtige Äquivalenzen (A B) (B A) (A B) (B A) ((A B) C) (A (B C)) ((A B) C) (A (B C)) (A A) A Kommutativität von Kommutativität von Assoziativität von Assoziativität von Idempotenz für Logik für Informatiker, SS 06 p.21
47 Wichtige Äquivalenzen (A B) (B A) (A B) (B A) ((A B) C) (A (B C)) ((A B) C) (A (B C)) (A A) A (A A) A Kommutativität von Kommutativität von Assoziativität von Assoziativität von Idempotenz für Idempotenz für Logik für Informatiker, SS 06 p.21
48 Wichtige Äquivalenzen (A B) (B A) (A B) (B A) ((A B) C) (A (B C)) ((A B) C) (A (B C)) (A A) A (A A) A A A Kommutativität von Kommutativität von Assoziativität von Assoziativität von Idempotenz für Idempotenz für Doppelnegation Logik für Informatiker, SS 06 p.21
49 Wichtige Äquivalenzen (A B) (B A) (A B) (B A) ((A B) C) (A (B C)) ((A B) C) (A (B C)) (A A) A (A A) A A A (A B) ( B A) Kommutativität von Kommutativität von Assoziativität von Assoziativität von Idempotenz für Idempotenz für Doppelnegation Kontraposition Logik für Informatiker, SS 06 p.21
50 Wichtige Äquivalenzen (A B) ( A B) Elimination Implikation Logik für Informatiker, SS 06 p.22
51 Wichtige Äquivalenzen (A B) ( A B) (A B) ((A B) (B A) Elimination Implikation Elimination Äquivalenz Logik für Informatiker, SS 06 p.22
52 Wichtige Äquivalenzen (A B) ( A B) (A B) ((A B) (B A) (A B) ( A B) Elimination Implikation Elimination Äquivalenz de Morgans Regeln Logik für Informatiker, SS 06 p.22
53 Wichtige Äquivalenzen (A B) ( A B) (A B) ((A B) (B A) (A B) ( A B) (A B) ( A B) Elimination Implikation Elimination Äquivalenz de Morgans Regeln de Morgans Regeln Logik für Informatiker, SS 06 p.22
54 Wichtige Äquivalenzen (A B) ( A B) (A B) ((A B) (B A) (A B) ( A B) (A B) ( A B) (A (B C)) ((A B) (A C)) Elimination Implikation Elimination Äquivalenz de Morgans Regeln de Morgans Regeln Distributivität von über Logik für Informatiker, SS 06 p.22
55 Wichtige Äquivalenzen (A B) ( A B) (A B) ((A B) (B A) (A B) ( A B) (A B) ( A B) (A (B C)) ((A B) (A C)) (A (B C)) ((A B) (A C)) Elimination Implikation Elimination Äquivalenz de Morgans Regeln de Morgans Regeln Distributivität von über Distributivität von über Logik für Informatiker, SS 06 p.22
56 Wichtige Äquivalenzen (zusammengefasst) (A B) (B A) Kommutativität von (A B) (B A) Kommutativität von ((A B) C) (A (B C)) Assoziativität von ((A B) C) (A (B C)) Assoziativität von (A A) A Idempotenz für (A A) A Idempotenz für A A Doppelnegation (A B) ( B A) Kontraposition (A B) ( A B) Elimination Implikation (A B) ((A B) (B A)) Elimination Äquivalenz (A B) ( A B) de Morgans Regeln (A B) ( A B) de Morgans Regeln (A (B C)) ((A B) (A C)) Distributivität von über (A (B C)) ((A B) (A C)) Distributivität von über Logik für Informatiker, SS 06 p.23
57 Wichtige Äquivalenzen mit 1 und 0 (A A) 0 Logik für Informatiker, SS 06 p.24
58 Wichtige Äquivalenzen mit 1 und 0 (A A) 0 (A A) 1 Tertium non datur Logik für Informatiker, SS 06 p.24
59 Wichtige Äquivalenzen mit 1 und 0 (A A) 0 (A A) 1 Tertium non datur (A 1) A Logik für Informatiker, SS 06 p.24
60 Wichtige Äquivalenzen mit 1 und 0 (A A) 0 (A A) 1 Tertium non datur (A 1) A (A 0) 0 Logik für Informatiker, SS 06 p.24
61 Wichtige Äquivalenzen mit 1 und 0 (A A) 0 (A A) 1 Tertium non datur (A 1) A (A 0) 0 (A 1) 1 Logik für Informatiker, SS 06 p.24
62 Ein zweiter Kalkül: Logische Umformung Definition: Äquivalenzumformung (Wiederholte) Ersetzung einer (Unter-)Formel durch äquivalente Formel Anwendung des Substitutionstheorems Logik für Informatiker, SS 06 p.25
63 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 A, B logisch äquivalent sind, kann A in B umgeformt werden Logik für Informatiker, SS 06 p.25
64 Allgemeingültigkeit Definition: Allgemeingültigkeit Eine Formel ist allgemeingültig, wenn sie in allen Modellen wahr ist Logik für Informatiker, SS 06 p.26
65 Allgemeingültigkeit Definition: Allgemeingültigkeit Eine Formel ist allgemeingültig, wenn sie in allen Modellen wahr ist Notation = A Logik für Informatiker, SS 06 p.26
66 Allgemeingültigkeit Definition: Allgemeingültigkeit Eine Formel ist allgemeingültig, wenn sie in allen Modellen wahr ist Notation = A Beispiele A A A A (A (A B)) B 1 Logik für Informatiker, SS 06 p.26
67 Deduktionstheorem Deduktionstheorem KB = A gdw. KB A ist allgemeingültig (verbindet logische Folgerbarkeit und Allgemeingültigkeit) Logik für Informatiker, SS 06 p.27
68 Deduktionstheorem Deduktionstheorem KB = A gdw. KB A ist allgemeingültig (verbindet logische Folgerbarkeit und Allgemeingültigkeit) Folgerungen M {A} = B gdw. M = A B A, B sind logisch äquivalent gdw. A B ist allgemeingültig Logik für Informatiker, SS 06 p.27
69 Erfüllbarkeit Definition: Erfüllbarkeit Eine Formel ist erfüllbar, wenn sie ein Modell hat Logik für Informatiker, SS 06 p.28
70 Erfüllbarkeit Definition: Erfüllbarkeit Eine Formel ist erfüllbar, wenn sie ein Modell hat Beispiele A B A A (A B) Logik für Informatiker, SS 06 p.28
71 Unerfüllbarkeit Definition: Unerfüllbarkeit Eine Formel ist unerfüllbar, wenn sie in keinem Modell wahr ist, d.h., nicht erfüllbar ist Logik für Informatiker, SS 06 p.29
72 Unerfüllbarkeit Definition: Unerfüllbarkeit Eine Formel ist unerfüllbar, wenn sie in keinem Modell wahr ist, d.h., nicht erfüllbar ist Beispiel A A Logik für Informatiker, SS 06 p.29
73 Allgemeingültigkeit / Ableitbarkeit / Unerfüllbarkeit Theorem A ist allgemeingültig gdw. A ist unerfüllbar (verbindet Allgemeingültigkeit und Unerfüllbarkeit) Logik für Informatiker, SS 06 p.30
74 Allgemeingültigkeit / Ableitbarkeit / Unerfüllbarkeit Theorem A ist allgemeingültig gdw. A ist unerfüllbar (verbindet Allgemeingültigkeit und Unerfüllbarkeit) Theorem KB = A gdw. (KB A) ist unerfüllbar (verbindet logische Ableitbarkeit und Unerfüllbarkeit) Logik für Informatiker, SS 06 p.30
75 Verbindung der Eigenschaften Aus den Theoremen folgt Logische Folgerbarkeit Allgemeingültigkeit Unerfüllbarkeit sind verbunden. Kalkül für eine dieser Eigenschaften genügt Logik für Informatiker, SS 06 p.31
76 Das Craigsche Interpolationstheorem Theorem Seien A,B aussagenlogische Formeln mit = A B dann gibt es eine Formel C mit = A C und = C B, so daß in C nur solche aussagenlogischen Atome P Σ vorkommen, die sowohl in A als auch in B vorkommen. Logik für Informatiker, SS 06 p.32
77 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Logik für Informatiker, SS 06 p.33
78 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Logik für Informatiker, SS 06 p.33
79 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Logik für Informatiker, SS 06 p.33
80 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Uniforme Notation Logik für Informatiker, SS 06 p.33
81 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Uniforme Notation Wahrheitstafelmethode Logik für Informatiker, SS 06 p.33
82 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Uniforme Notation Wahrheitstafelmethode Wichtige Äquivalenzen Logik für Informatiker, SS 06 p.33
83 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Uniforme Notation Wahrheitstafelmethode Wichtige Äquivalenzen Äquivalenzumformung als Kalkül (Substitutionstheorem) Logik für Informatiker, SS 06 p.33
84 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Uniforme Notation Wahrheitstafelmethode Wichtige Äquivalenzen Äquivalenzumformung als Kalkül (Substitutionstheorem) Allgemeingültigkeit, Erfüllbarkeit, Unverfüllbarkeit Logik für Informatiker, SS 06 p.33
85 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Uniforme Notation Wahrheitstafelmethode Wichtige Äquivalenzen Äquivalenzumformung als Kalkül (Substitutionstheorem) Allgemeingültigkeit, Erfüllbarkeit, Unverfüllbarkeit Deduktionstheorem, Verbindung von Allgemeingültigkeit und Underfüllbarkeit Logik für Informatiker, SS 06 p.33
86 Syntax und Semantik: Zusammenfassung Syntax der Aussagenlogik: Definition der Menge aller Formeln Induktion über Formelaufbau Semantik der Aussagenlogik: Wahrheit einer Formel in einem Modell Uniforme Notation Wahrheitstafelmethode Wichtige Äquivalenzen Äquivalenzumformung als Kalkül (Substitutionstheorem) Allgemeingültigkeit, Erfüllbarkeit, Unverfüllbarkeit Deduktionstheorem, Verbindung von Allgemeingültigkeit und Underfüllbarkeit Craigsches Interpolationstheorem Logik für Informatiker, SS 06 p.33
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