如何确定证据是否需要“高阶推理技术”?


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问题:

假设我有一个由公理和目标组成的问题的规范(即,相关的证明问题是给定所有公理,目标是否可满足)。我们还假设该问题在公理之间不包含任何矛盾/矛盾。有没有一种方法可以预先确定(即不先构建完整的证据)证明该问题将需要“高阶推理”?

所谓“高阶推理”,是指应用证明步骤,这些步骤要求将高阶逻辑记下来。“高阶推理”的一个典型示例是归纳法:原则上写下归纳方案需要使用高阶逻辑。

例:

一个人可以指定证明问题“两个自然数的加法是否可交换?” 使用一阶逻辑(即通过构造函数0 / succ与标准公理以及递归定义“加”函数的公理一起定义自然数)。要证明此问题,需要对“ plus”的第一个或第二个自变量的结构进行归纳(取决于“ plus”的确切定义)。在尝试证明它之前,例如通过分析输入问题的性质...,我是否已经知道这一点?(当然,这只是出于说明目的的一个简单示例-实际上,对于比“ +”的可交换性更困难的证明问题,这将是有趣的。)

更多背景信息:

在我的研究中,我经常尝试使用自动一阶定理证明者(例如Vampire,eprover等)来解决证明问题(或部分证明问题),其中有些可能需要更高阶的推理。通常,证明者需要相当多的时间才能提出证明(前提是存在仅需要一阶推理技术的证明)。当然,尝试将一阶定理证明者应用于需要高阶推理的问题通常会导致超时。

因此,我一直想知道是否有任何方法/技术可以提前告诉我,证明问题是否需要更高阶的推理技术(意思是“不要浪费时间试图将它交给一阶定理证明者”) )或不,至少可能是针对特定的输入问题。

我在文献中寻找问题的答案,并向定理领域的一些研究人员询问了有关这一问题的信息,但到目前为止,我还没有收到任何好的答案。我的期望是,有人尝试将交互式定理证明与自动定理证明结合在一起(Coq社区?

我想通常来说,我在这里概述的问题是不确定的(是吗?)。但是也许对问题的精炼版本有很好的答案...?


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您要问的实际上是确定给定公式(在较弱的系统中)是否是可证明的,即使对于像Q这样的简单理论,通常也无法确定。但是可证明性实际上不是很有用,因为更强的理论可以缩短定理a的证明。很多。确定一个定理是否有一个简短的证明是NP完全的。我怀疑是否有很好的启发式方法。
卡夫

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Peano算术具有归纳法,而Peano算术是一阶的(即仅对单个个体进行量化)。ZFC也一样。引用马丁·戴维斯的话:“高阶逻辑只是在一阶逻辑中形式化的集合论的符号变体,在机械定理证明中使用高阶形式主义的问题仅仅是这样的形式主义是否暗示问题有用的算法。”
Martin Berger

@MartinBerger我认为出于这个问题的目的,公理计划被视为“高阶推理技术”
fread2281 '17

@ fread2281谨慎使用术语会很有帮助。存在具有有限公理化的集合论(例如Neumann–Bernays–Gödel集合论,它是ZFC的保守扩展)。相反,ZFC的公理图式不能用有限数量的公理表示。我认为,但是现在我不确定,公理方案不需要集理论或高阶逻辑的全部功能。
Martin Berger

Answers:


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简而言之,一阶逻辑中陈述的每个定理都有一阶证明。

彼得·B·安德鲁斯(Peter B.Andrews)在他的《数学逻辑和类型理论概论》一书中开发了一阶逻辑和一个高阶逻辑Q 0系统,该系统通常被认为是现代高阶证明者的理论基础。(例如,请参阅HOL逻辑介绍。)

对于Q 0和类似的系统,安德鲁斯证明他所描述的高阶逻辑可以看作是一阶逻辑的保守扩展,并写道(第二版,第259页),“总而言之,类型理论具有一阶证明。”

鉴于您的实际担忧,我还引用了以下段落:

“但是,通过使用只能在高阶逻辑中表达的概念,可以最有效地证明一阶逻辑定理。可以在[Andrews and Bishop,1996]和[Boolos,1998,Chapter 25]中找到示例。 Statman证明了[Statman,1978,Proposition 6.3.5],一阶逻辑的wff的一阶逻辑的证明的最小长度可能比同一个wff的证明的最小长度异常长。二阶逻辑:戈德尔[Godel,1936]的一个相关结果是,一般来说,“传递到下一个更高阶的逻辑具有影响,不仅使某些无法证明的命题得到证明,而且使可以极大地缩短许多已经可用的证明。”完整的证明可以在[Buss,1994]。”

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