Vorlesung Logik Wintersemester 2017/18 Universität Duisburg-Essen

Transkript

1 Vorlesung Logik Wintersemester 2017/18 Universität Duisburg-Essen Barbara König Übungsleitung: Dennis Nolte, Harsh Beohar Barbara König Logik 1

2 Geschichte der Logik Beginn in Griechenland: Aristoteles ( v.chr.) untersucht das Wesen der Argumentation und des logischen Schließens Verschiedene Werke, u.a.: Analytica priora, Analytica posteriora Seither: Weiterentwicklung der Logik, Formalisierung, Verwendung in der Mathematik und Informatik Barbara König Logik 14

3 Syllogismen (I) Aristoteles entwickelte den Begriff des Syllogismus: A syllogism is discourse in which, certain things being stated, something other than what is stated follows of necessity from their being so. I mean by the last phrase that they produce the consequence, and by this, that no further term is required from without in order to make the consequence necessary. Wenn alle Menschen sterblich sind und Sokrates ein Mensch ist, dann ist Sokrates sterblich. Barbara König Logik 15

4 Syllogismen (II) Alle Dackel sind Hunde Alle Hunde sind Tiere Dann sind alle Dackel Tiere Keine Blume ist ein Tier Alle Hunde sind Tiere Dann ist keine Blume ein Hund Alle Delfine leben im Meer Alle Delfine sind Säugetiere Dann leben einige Säugetiere im Meer Alle P sind M Alle M sind S Alle P sind S Kein P ist M Alle S sind M Kein P ist S Alle M sind P Alle M sind S Einige S sind P (Barbara) (Cesare) (Darapti) Barbara König Logik 16

5 Verschiedene Logiken Es gibt viele verschiedene Logiken: Aussagenlogik (1. Stufe) höherer Stufe Modale und temporale Logiken Intuitionistische Logik... Wir beschäftigen uns in dieser Vorlesung nur mit Aussagenlogik und 1. Stufe. Barbara König Logik 17

6 Aussagenlogik (I) George Boole (1848) Verknüpfung von Aussagen, die entweder wahr oder falsch sein können, mit einfachen Operatoren (und; oder; nicht; wenn..., dann... ) Beispiel: Aussagen: Es regnet, Die Straße ist nass Verknüpfungen: Es regnet und die Straße ist nass. Wenn es regnet, dann ist die Straße nass. Wenn die Straße nicht nass ist, dann regnet es nicht. Barbara König Logik 18

7 Aussagenlogik (II) Der Stoff im Bereich Aussagenlogik umfasst unter anderem: Syntax der Aussagenlogik: Was sind Operatoren? Was ist eine Formel? Welche Formeln sind syntaktisch korrekt? Semantik der Aussagenlogik: Was ist die Bedeutung einer Formel? Welche Formeln sind allgemeingültig, d.h. immer wahr? Welche Formeln sind unerfüllbar, d.h. immer falsch? Verfahren und Methoden, die überprüfen, ob eine Formel allgemeingültig oder unerfüllbar ist Barbara König Logik 19

8 Frege, Peano, Russell (Ende des 19. Jahrhunderts) Mit der kann man zusätzlich Beziehungen zwischen Objekten beschreiben existentielle Aussagen treffen: es gibt ein x, so dass... universelle Aussagen treffen: für jedes x gilt, dass... Beispiel: Für jede natürliche Zahl x gilt, dass es eine natürliche Zahl y gibt, so dass x kleiner als y ist. Barbara König Logik 20

9 Anwendungen in der Informatik (I) Modellierung und Spezifikation: Eindeutige Beschreibung von komplexen Systemen Verifikation: Beweisen, dass ein Programm das gewünschte Verhalten zeigt Schaltkreisentwurf: Schaltkreise lassen sich als logische Formeln darstellen Entwurf und Optimierung von Schaltungen Datenbanken: Formulierung von Anfragen an Datenbanken Abfragesprache SQL (Structured query language) Künstliche Intelligenz: Schlussfolgerungen automatisieren, insbesondere in Expertensystemen Barbara König Logik 21

10 Anwendungen in der Informatik (II) Theorembeweiser: Der Computer beweist mathematische Sätze automatischer Beweis von wichtigen Sätzen im Bereich der Booleschen Algebren Kombinatorische Optimierung (SAT-Solver) Logische Programmiersprachen: Prolog Außerdem: Logik ist ein Paradebeispiel für Syntax und formale Semantik Ein Zitat von Edsger W. Dijkstra: Informatik = VLSAL (Very large scale application of logics) (In Anspielung auf VLSI = Very large scale integration, ein Begriff aus dem Chipdesign) Barbara König Logik 22

11 Formale Syntax und Semantik Auch wenn die Beispiele bisher mit natürlicher Sprache beschrieben wurden, werden wir in der Vorlesung meist auf natürliche Sprache verzichten. Beispiele: Natürliche Sprache Formalisierung Es regnet und die Straße ist nass. R N Wenn es regnet, dann ist die Straße nass. R N Für jede natürliche Zahl x gilt, x y(x < y) dass es eine natürliche Zahl y gibt, so dass x kleiner als y ist. Frage: Warum nicht natürliche Sprache? Barbara König Logik 23

12 Probleme mit natürlicher Sprache (I) Problem: Zuordnung von Wahrheitswerten zu natürlichsprachigen Aussagen ist problematisch. Beispiele: Jede gerade Zahl größer als 4 ist die Summe zweier Primzahlen. (Goldbach sche Vermutung, unbewiesen) Dieser Satz hat zwei Vehler. Barbara König Logik 24

13 Probleme mit natürlicher Sprache (II) Problem: Natürliche Sprache ist oft schwer verständlich. Beispiel: Auszug aus der Analytica Priora von Aristoteles Die Aussage: If the middle term is related universally to one of the extremes, a particular negative syllogism must result whenever the middle term is related universally to the major whether positively or negatively, and particularly to the minor and in a manner opposite to that of the universal statement. Der Beweis: For if M belongs to no N, but to some O, it is necessary that N does not belong to some O. For since the negative statement is convertible, N will belong to no M: but M was admitted to belong to some O: therefore N will not belong to some O: for the result is reached by means of the first figure. Again if M belongs to all N, but not to some O, it is necessary that N does not belong to some O: for if N belongs to all O, and M is predicated also of all N, M must belong to all O: but we assumed that M does not belong to some O. And if M belongs to all N but not to all O, we shall conclude that N does not belong to all O: the proof is the same as the above. But if M is predicated of all O, but not of all N, there will be no syllogism. Barbara König Logik 25

14 Probleme mit natürlicher Sprache (III) Problem: Natürliche Sprache ist mehrdeutig. Beispiel: Ich sah den Mann auf dem Berg mit dem Fernrohr. Barbara König Logik 26

15 Ich sah den Mann... Aussagenlogik (((Ich sah den Mann) auf dem Berg) mit dem Fernrohr) Barbara König Logik 27

16 Ich sah den Mann... Aussagenlogik ((Ich sah (den Mann auf dem Berg)) mit dem Fernrohr) Barbara König Logik 28

17 Ich sah den Mann... Aussagenlogik ((Ich sah den Mann) (auf dem Berg mit dem Fernrohr)) Barbara König Logik 29

18 Ich sah den Mann... Aussagenlogik (Ich sah ((den Mann auf dem Berg) mit dem Fernrohr)) Barbara König Logik 30

19 Ich sah den Mann... Aussagenlogik (Ich sah (den Mann (auf dem Berg mit dem Fernrohr))) Barbara König Logik 31

20 Ich sah den Mann... Aussagenlogik (((Ich sah den Mann) auf dem Berg) mit dem Fernrohr) ((Ich sah (den Mann auf dem Berg)) mit dem Fernrohr) ((Ich sah den Mann) (auf dem Berg mit dem Fernrohr)) 5 mögliche Interpretationen! (Ich sah ((den Mann auf dem Berg) mit dem Fernrohr)) (Ich sah (den Mann (auf dem Berg mit dem Fernrohr))) Barbara König Logik 32

21 Inhalt der Vorlesung Aussagenlogik: Grundbegriffe, Normalformen und Äquivalenz Resolution : Grundbegriffe, Normalformen und Äquivalenz Herbrand-Theorie Resolution Grundlagen der Logikprogrammierung Barbara König Logik 33

22 Logik-Tools Aussagenlogik: SAT-Solver: Überprüfen der Erfüllbarkeit von aussagenlogischen Formeln limboole ( : Anschauliche Lehrsoftware für die Tarski s World Theorembeweiser für die 1. Stufe (basierend auf Resolution) otter ( Barbara König Logik 34