De Logica Mathematica 02 // 数理逻辑笔记 〇二:一阶语言的语义

Structurae & Interpretationes 结构与解释

〔定义 2.1〕:

设 $S$ 为符号集,$S$–结构($S$-structure)是具有下述性质的二元组 $\mathfrak A=(A,\,\mathfrak a)$:

 (α) $A$ 是非空集合,称为 $\mathfrak A$ 的论域(domain)或全集(universe);

 (β) $\mathfrak a$ 是定义于 $S$ 的映射,满足以下条件:

   (1) 对任一 $n$ 元关系符号 $R\in S$,$\mathfrak a(R)$ 为 $A$ 上的 $n$ 元关系;

   (2) 对任一 $n$ 元函数符号 $f\in S$,$\mathfrak a(f)$ 为 $A$ 上的 $n$ 元函数;

   (3) 对任一常元 $c\in S$,$\mathfrak a(c)$ 为 $A$ 的元素.

后文将 $\mathfrak a(R),\,\mathfrak a(f),\,\mathfrak a(c)$ 分别记为 $R^\mathfrak A,\,f^\mathfrak A,\,c^\mathfrak A$ 或 $R^A,\,f^A,\,c^A$.结构 $\mathfrak A,\,\mathfrak B,\,\cdots$ 的论域相应地记作 $A,\,B,\,\cdots$.结构 $\mathfrak A=(A,\,\mathfrak a)$ 中的映射 $\mathfrak a$ 将会写成符号集中对应符号的值列表,如 $\{R,\,f,\,c\}$–结构记作 $\mathfrak A=(A,\,R^\mathfrak A,\,f^\mathfrak A,\,c^\mathfrak A)$.

〔定义 2.2〕:

设 $\mathfrak A$ 为 $S$–结构,映射 $\beta:\{v_n\mid n\in\mathbb N\}\to A$ 将变元映射为 $A$ 中的元素,称为 $\mathfrak A$ 的一个赋值(assignment).

$S$–解释(interpretation)$\mathfrak I$ 是指含有一个 $S$–结构 $\mathfrak A$ 与其中的一个赋值 $\beta$ 的二元组 $(\mathfrak A,\,\beta)$ .

若 $\beta$ 是 $\mathfrak A$ 的一个赋值,$a\in A$ 且 $x$ 为变元,则 $\beta\tfrac ax$ 表示将 $x$ 映射为 $a$,而将与 $x$ 相异的元素如同 $\beta$ 一样映射的赋值,即

对于 $\mathfrak I=(\mathfrak A,\,\beta)$,记 $\mathfrak I\tfrac ax=(\mathfrak A\tfrac ax,\,\beta)$.

Relatio Satisfactionis Consequentiaeque 满足关系与推论关系

〔定义 2.3〕:

定义 $\mathfrak I=(\mathfrak A,\,\beta)$ 为 $S$–解释,函数 $\mathfrak I(t)$ 将每个项 $t$ 映射为 $A$ 的元素,即
 (α) 对变元 $v$,$\mathfrak I(v):=\beta(v)$;

 (β) 对常元 $c$,$\mathfrak I(c):=c^\mathfrak A$;

 (γ) 对 $n$ 元函数符号 $f\in S$,以及项 $t_1,\,\cdots,\,t_n$,$\mathfrak I(ft_1\cdots t_n)=f^\mathfrak A(\mathfrak I(t_1),\,\cdots,\,\mathfrak I(t_n))$.

对公式 $\varphi$ 归纳,可如下定义关系「$\mathfrak I$ 是 $\varphi$ 的模型(model)」,其中 $\mathfrak I$ 是任意的解释.「$\mathfrak I$ 是 $\varphi$ 的模型」可以等价地称为「$\mathfrak I$ 满足(satisfies)$\varphi$」或「$\varphi$ 在 $\mathfrak I$ 中成立(holds)」,并记作 $\mathfrak I\models\varphi$.

〔定义 2.4〕:

$\begin{aligned}
\mathfrak I\models t_1\equiv t_2 &\quad\text{:iff}& \mathfrak I(t_1)=\mathfrak I(t_2)\\
\mathfrak I\models Rt_1\cdots t_n &\quad\text{:iff}& R^\mathfrak A\mathfrak I(t_1)\cdots\mathfrak I(t_n)\\
\mathfrak I\models \neg\varphi &\quad\text{:iff}& \mathfrak I\models\varphi\,不成立\\
\mathfrak I\models (\varphi\land \psi) &\quad\text{:iff}& \mathfrak I\models\varphi\,且\,\mathfrak I\models\psi\\
\mathfrak I\models (\varphi\lor \psi) &\quad\text{:iff}& \mathfrak I\models\varphi\,或\,\mathfrak I\models\psi\\
\mathfrak I\models (\varphi\to \psi) &\quad\text{:iff}& 若\,\mathfrak I\models\varphi\,则\,\mathfrak I\models\psi\\
\mathfrak I\models (\varphi\leftrightarrow \psi) &\quad\text{:iff}& \mathfrak I\models\varphi\,当且仅当\,\mathfrak I\models\psi\\
\mathfrak I\models \forall x\varphi &\quad\text{:iff}&\,对所有\,a\in A,\;\mathfrak I\tfrac ax\models\varphi\\
\mathfrak I\models \exists x\varphi &\quad\text{:iff}&\,存在\,a\in A\,使得\,\mathfrak I\tfrac ax\models\varphi
\end{aligned}$

易知,$\mathfrak I\models\varphi$ 当且仅当 $\varphi$ 在 $\mathfrak I$ 解释下为真命题.

对于 $S$–公式集合 $\varPhi$,若对任意 $\varphi\in\varPhi$,均有 $\mathfrak I\models\varphi$,则称 $\mathfrak I$ 是 $\varPhi$ 的模型($\mathfrak I$ 满足 $\varPhi$),并记作 $\mathfrak I\models\varPhi$.

〔定义 2.5〕:

令 $\varPhi$ 为公式集合,$\varphi$ 为公式.$\varphi$ 是 $\varPhi$ 的推论(consequence),当且仅当满足 $\varPhi$ 的所有解释亦满足 $\varphi$,记作 $\varPhi\models\varphi$.

设 $\psi$ 为公式,$\{\psi\}\models\varphi$ 简记作 $\psi\models\varphi$.

〔定义 2.6〕:

公式 $\varphi$ 是有效的(valid),当且仅当 $\varnothing\models\varphi$,记作 $\models\varphi$.因此公式有效当且仅当其在所有解释下均成立.

公式 $\varphi$ 是可满足的(satisfiable),当且仅当存在满足 $\varphi$ 的解释,记作 $\operatorname{Sat}\varphi$.公式集合 $\varPhi$ 是可满足的,当且仅当对于任意 $\varphi\in\varPhi$,均有 $\operatorname{Sat}\varphi$,记作 $\operatorname{Sat}\varPhi$.

〔引理 2.a〕:

对于任意公式集合 $\varPhi$ 及任意公式 $\varphi$,$\varPhi\models\varphi$ 当且仅当 $\operatorname{Sat}\varPhi\cup\{\neg\varphi\}$ 不成立.

特别地,$\varphi$ 有效当且仅当 $\{\neg\varphi\}$ 不可满足.

〔证明〕:

$\varPhi\models\varphi$

当且仅当所有满足 $\varPhi$ 的解释亦满足 $\varphi$,

当且仅当不存在满足 $\varPhi$ 而不满足 $\varphi$ 的解释,

当且仅当不存在满足 $\varPhi\cup\{\neg\varphi\}$ 的解释,

当且仅当 $\operatorname{Sat}\varPhi\cup\{\neg\varphi\}$ 不成立.

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