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「van Dalen,邏輯與結構」筆記:述詞邏輯

Posted on:2024年2月21日 at 下午09:25
「van Dalen,邏輯與結構」筆記:述詞邏輯

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結構

定義 1.1 結構 structure

結構是一個序列 A=⟨A,R1,...,Rn,F1,...,Fm,{ci∣i∈I}⟩\mathfrak{A} = \langle A, R_1, ..., R_n, F_1, ...,F_m, \{ c_i|i\in I \} \rangle,其中 AA 是非空集合、R1,...,RnR_1, ..., R_n 是 AA 的關係、F1,...,FmF_1, ..., F_m 是 AA 的函數、ci(i∈I)c_i(i \in I) 是 AA 的(常數)元素。

定義 1.2 相似性類型 similarity type

A=⟨A,R1,...,Rn,F1,...,Fm,{ci∣i∈I}⟩\mathfrak{A} = \langle A, R_1, ..., R_n, F_1, ...,F_m, \{ c_i|i\in I \} \rangle 的相似性類型是一個序列 ⟨r1,...,rn;a1,...,am;κ⟩\langle r_1, ..., r_n; a_1, ..., a_m; \kappa \rangle,其中 Ri⊂Ari,Fj:Aaj→A,κ=∣I∣R_i \subset A^{r_i}, F_j: A^{a_j} \rightarrow A, \kappa=| I |。

相似性類型的語言

給定 ⟨r1,...,rn;a1,...,am;κ⟩\langle r_1, ..., r_n; a_1, ..., a_m; \kappa \rangle 是 ⟨A,R1,...,Rn,F1,...,Fm,{ci∣i∈I}⟩\langle A, R_1, ..., R_n, F_1, ...,F_m, \{ c_i|i\in I \} \rangle 的相似性類型。

定義 2.1 語詞集

TERMTERM(語詞集)是滿足下述性質的最小集合 XX:

  1. 常元 ConstConst:ciˉ∈X(i∈I)\bar{c_i}\in X(i\in I);
  2. 變元 VarVar:xi∈X(i∈N)x_i \in X(i \in N);
  3. 函數封閉性:若 t1,...,tai∈Xt_1, ..., t_{a_i} \in X,則 fi(t1,...,tai)∈Xf_i(t_1, ..., t_{a_i}) \in X。

定義 2.2 構句集

FORMFORM(構句集)是滿足下述性質的最小集合 XX:

  1. ⊥∈X\bot \in X;
  2. 若 ri=0r_i = 0則 πi∈X\pi_i\in X(即 π\pi 是命題符號);
  3. 若 t1,...,tri∈TERMt_1,...,t_{r_i} \in TERM,則 πi(t1,...,tri)∈X\pi_i(t_1,...,t_{r_i}) \in X;
  4. 若 t1,t2∈TERMt_1, t_2 \in TERM,則 (t1=t2)∈X(t_1 = t_2) \in X;
  5. 若 ϕ,ψ∈X\phi,\psi \in X,則 (ϕ∧ψ),(ϕ∨ψ),(ϕ→ψ),(ϕ↔ψ)∈X(\phi \land \psi), (\phi \lor \psi), (\phi \rightarrow \psi), (\phi \leftrightarrow \psi) \in X(寫作 (ϕ□ψ)(\phi \square \psi));
  6. 若 ϕ∈X\phi \in X,則 (¬ϕ)∈X(\neg \phi) \in X;
  7. 若 ϕ∈X\phi \in X,則 ∀xiϕ,∃xiϕ∈X\forall x_i \phi, \exists x_i \phi \in X。

定理 2.3 歸納法與遞迴性

參考命題邏輯的定理 1.3與1.6,不難證明 TERMTERM 和 FORMFORM 都滿足一般與遞迴的歸納法原理。

一般歸納法原理過於繁瑣,這裡不再贅述。

語詞集的遞迴性

令 H0:Var∪Const→AH_0: Var \cup Const \rightarrow A,H1:Aai→AH_1: A^{a_i} \rightarrow A,則存在唯一的函數 H:TERM→AH: TERM \rightarrow A 使得:

  1. 對於所有的變元或常元 tt,H(t)=H0(t)H(t) = H_0(t);
  2. H(fi(t1,...,tai))=H1(H(t1),...,H(tai))H(f_i(t_1, ..., t_{a_i})) = H_1(H(t_1), ..., H(t_{a_i}))。

構句集的遞迴性

令 Hat:At→AH_{at}: At \rightarrow A,H□:A2→AH_\square : A^2\rightarrow A,H¬:A→AH_{\neg}: A \rightarrow A,H∀:A→AH_{\forall}: A \rightarrow A,H∃:A→AH_{\exists}: A \rightarrow A,則存在唯一的函數 H:FORM→AH: FORM \rightarrow A 使得:

  1. 對於所有的原子式 tt,H(t)=Hat(t)H(t) = H_{at}(t);
  2. H(t1□t2)=H□(H(t1),H(t2))H(t_1 \square t_2) = H_\square(H(t_1), H(t_2));
  3. H(¬ϕ)=H¬(H(ϕ))H(\neg \phi) = H_{\neg}(H(\phi));
  4. H(∀xiϕ)=H∀(H(ϕ))H(\forall x_i \phi) = H_{\forall}(H(\phi));
  5. H(∃xiϕ)=H∃(H(ϕ))H(\exists x_i \phi) = H_{\exists}(H(\phi))。

定義 2.4 自由變元

TERMTERM:

  1. FV(ciˉ)=∅FV(\bar{c_i}) = \emptyset;
  2. FV(xi)={xi}FV(x_i) = \{ x_i \};
  3. FV(fi(t1,...,tai))=FV(t1)∪...∪FV(tai)FV(f_i(t_1, ..., t_{a_i})) = FV(t_1) \cup ... \cup FV(t_{a_i})。

FORMFORM:

  1. FV(⊥)=∅FV(\bot) = \emptyset;
  2. 若 π\pi 是命題符號,則 FV(π)=∅FV(\pi) = \emptyset;
  3. FV(t1=t2)=FV(t1)∪FV(t2)FV(t_1 = t_2) = FV(t_1) \cup FV(t_2);
  4. FV(πi(t1,...,tri))=FV(t1)∪...∪FV(tri)FV(\pi_i(t_1, ..., t_{r_i})) = FV(t_1) \cup ... \cup FV(t_{r_i});
  5. FV(ϕ□ψ)=FV(ϕ)∪FV(ψ)FV(\phi \square \psi) = FV(\phi) \cup FV(\psi);
  6. FV(¬ϕ)=FV(ϕ)FV(\neg \phi) = FV(\phi);
  7. FV(∀xiϕ)=FV(ϕ)∖{xi}FV(\forall x_i \phi) = FV(\phi) \setminus \{ x_i \};
  8. FV(∃xiϕ)=FV(ϕ)∖{xi}FV(\exists x_i \phi) = FV(\phi) \setminus \{ x_i \}。

定義 2.5 封閉語詞和封閉構句

  1. 若 FV(t)=∅FV(t) = \emptyset,則 tt 稱為封閉語詞。封閉語詞集合寫作 TERMcTERM_c。
  2. 若 FV(ϕ)=∅FV(\phi) = \emptyset,則 ϕ\phi 稱為封閉構句或語句。語句集合寫作 SENTSENT。
  3. 無量詞的構句稱為開放構句。

定義 2.6 拘束變元

TERMTERM:

  1. BV(ciˉ)=∅BV(\bar{c_i}) = \emptyset;
  2. BV(xi)=∅BV(x_i) = \emptyset;
  3. BV(fi(t1,...,tai))=BV(t1)∪...∪BV(tai)BV(f_i(t_1, ..., t_{a_i})) = BV(t_1) \cup ... \cup BV(t_{a_i})。

FORMFORM:

  1. BV(⊥)=∅BV(\bot) = \emptyset;
  2. 若 π\pi 是命題符號,則 BV(π)=∅BV(\pi) = \emptyset;
  3. BV(t1=t2)=BV(t1)∪BV(t2)BV(t_1 = t_2) = BV(t_1) \cup BV(t_2);
  4. BV(πi(t1,...,tri))=BV(t1)∪...∪BV(tri)BV(\pi_i(t_1, ..., t_{r_i})) = BV(t_1) \cup ... \cup BV(t_{r_i});
  5. BV(ϕ□ψ)=BV(ϕ)∪BV(ψ)BV(\phi \square \psi) = BV(\phi) \cup BV(\psi);
  6. BV(¬ϕ)=BV(ϕ)BV(\neg \phi) = BV(\phi);
  7. BV(∀xiϕ)=BV(ϕ)∪{xi}BV(\forall x_i \phi) = BV(\phi) \cup \{ x_i \};
  8. BV(∃xiϕ)=BV(ϕ)∪{xi}BV(\exists x_i \phi) = BV(\phi) \cup \{ x_i \}。

定義 2.7 替代

TERMTERM:

令 ss 和 tt 是兩個語詞,則 s[t/x]s[t/x] 定義如下:

  1. c[t/x]=cc[t/x] = c;
  2. 若 yy 不是 xx,則 y[t/x]=yy[t/x] = y;
  3. 若 yy 即是 xx,則 y[t/x]=ty[t/x] = t;
  4. (f(t1,...,tai))[t/x]=f(t1[t/x],...,tai[t/x])(f(t_1, ..., t_{a_i}))[t/x] = f(t_1[t/x], ..., t_{a_i}[t/x])。

FORMFORM 的語詞替代:

令 ϕ\phi 是一個構句,tt 是一個語詞,則 ϕ[t/x]\phi[t/x] 定義如下:

  1. ⊥[t/x]=⊥\bot[t/x] = \bot;
  2. 若 π\pi 是命題符號,則 π[t/x]=π\pi[t/x] = \pi;
  3. (t1=t2)[t/x]=t1[t/x]=t2[t/x](t_1 = t_2)[t/x] = t_1[t/x] = t_2[t/x];
  4. (πi(t1,...,tri))[t/x]=πi(t1[t/x],...,tri[t/x])(\pi_i(t_1, ..., t_{r_i}))[t/x] = \pi_i(t_1[t/x], ..., t_{r_i}[t/x]);
  5. (ϕ□ψ)[t/x]=ϕ[t/x]□ψ[t/x](\phi \square \psi)[t/x] = \phi[t/x] \square \psi[t/x];
  6. (¬ϕ)[t/x]=¬ϕ[t/x](\neg \phi)[t/x] = \neg \phi[t/x];
  7. 若 yy 不是 xx,則 (∀yϕ)[t/x]=∀yϕ[t/x](\forall y \phi)[t/x] = \forall y \phi[t/x];
  8. 若 yy 即是 xx,則 (∀yϕ)[t/x]=∀yϕ(\forall y \phi)[t/x] = \forall y \phi;
  9. 若 yy 不是 xx,則 (∃yϕ)[t/x]=∃yϕ[t/x](\exists y \phi)[t/x] = \exists y \phi[t/x];
  10. 若 yy 即是 xx,則 (∃yϕ)[t/x]=∃yϕ(\exists y \phi)[t/x] = \exists y \phi。

FORMFORM 的構句替代:

令 ϕ\phi 和 ψ\psi 是兩個構句,則 ϕ[ψ/π]\phi[\psi/ \pi] 定義如下:

  1. 若 ϕ\phi 即是 π\pi,則 ϕ[ψ/π]=ψ\phi[\psi/ \pi] = \psi;
  2. 若 ϕ\phi 不是 π\pi,但 ϕ\phi 是原子語句,則 ϕ[ψ/π]=ϕ\phi[\psi/ \pi] = \phi。
  3. 若 ϕ=ϕ1□ϕ2\phi = \phi_1 \square \phi_2,則 ϕ[ψ/π]=ϕ1[ψ/π]□ϕ2[ψ/π]\phi[\psi/ \pi] = \phi_1[\psi/ \pi] \square \phi_2[\psi/ \pi];
  4. 若 ϕ=¬ϕ1\phi = \neg \phi_1,則 ϕ[ψ/π]=¬ϕ1[ψ/π]\phi[\psi/ \pi] = \neg \phi_1[\psi/ \pi];
  5. 若 ϕ=∀xiϕ1\phi = \forall x_i \phi_1,則 ϕ[ψ/π]=∀xiϕ1[ψ/π]\phi[\psi/ \pi] = \forall x_i \phi_1[\psi/ \pi];
  6. 若 ϕ=∃xiϕ1\phi = \exists x_i \phi_1,則 ϕ[ψ/π]=∃xiϕ1[ψ/π]\phi[\psi/ \pi] = \exists x_i \phi_1[\psi/ \pi]。

定義 2.8 自由語詞

在 ϕ\phi 中,tt 對 xx 是自由的,代表下述性質之一被滿足:

  1. ϕ\phi 是原子的,
  2. ϕ=ϕ1□ϕ2\phi = \phi_1 \square \phi_2,且 tt 對 xx 在 ϕ1\phi_1 或 ϕ2\phi_2 中是自由的,
  3. ϕ=¬ϕ1\phi = \neg \phi_1,且 tt 對 xx 在 ϕ1\phi_1 中是自由的,
  4. ϕ=∃yψ\phi = \exists y \psi,且若 x∈FV(ϕ)x\in FV(\phi),則 y∉FV(t)y \not\in FV(t) 而 tt 對 xx 在 ψ\psi 中是自由的。
  5. ϕ=∀yψ\phi = \forall y \psi,且若 x∈FV(ϕ)x\in FV(\phi),則 y∉FV(t)y \not\in FV(t) 而 tt 對 xx 在 ψ\psi 中是自由的。

引理 2.9

在 ϕ\phi 中,tt 對 xx 是自由的,當且僅當 ϕ[t/x]\phi[t/x] 的變數 tt 未被量詞拘束。

證明:對 ϕ\phi 做歸納法。

定義 2.10 自由構句

在 σ\sigma 中,ϕ\phi 對 π\pi 是自由的,代表下述性質之一被滿足:

  1. σ\sigma 是原子的,
  2. σ=σ1□σ2\sigma = \sigma_1 \square \sigma_2,且 ϕ\phi 對 π\pi 在 σ1\sigma_1 或 σ2\sigma_2 中是自由的,
  3. σ=¬σ1\sigma = \neg \sigma_1,且 ϕ\phi 對 π\pi 在 σ1\sigma_1 中是自由的,
  4. σ=∃yψ\sigma = \exists y \psi,且若 π\pi 在 σ\sigma 中出現,則 y∉FV(ϕ)y \not\in FV(\phi) 而 ϕ\phi 對 π\pi 在 ψ\psi 中是自由的。
  5. σ=∀yψ\sigma = \forall y \psi,且若 π\pi 在 σ\sigma 中出現,則 y∉FV(ϕ)y \not\in FV(\phi) 而 ϕ\phi 對 π\pi 在 ψ\psi 中是自由的。

引理 2.11

在 σ\sigma 中,ϕ\phi 對 π\pi 是自由的,當且僅當 σ[ϕ/π]\sigma[\phi/\pi] 的變數 ϕ\phi 未被量詞拘束。

定義 2.12 擴充語言

A\mathfrak{A} 的擴充語言 L(A)L(\mathfrak{A}) 由語言 LL、A\mathfrak{A} 的類型加上 ∣A∣|\mathfrak{A}| 中的常元所構成。我們將屬於 ∣A∣|\mathfrak{A}| 的 aa 的常元符號標註為 aˉ\bar{a}。

語義學

定義 2.13 封閉語詞與構句的詮釋

TERMcTERM_c:

L(A)L(\mathfrak{A}) 在 A\mathfrak{A} 的封閉語詞的詮釋是一個函數 (.)A:TERMc→∣A∣(.)^{\mathfrak{A}}: TERM_c \rightarrow |\mathfrak{A}| 滿足(使用 Scott brackets 標記):

  1. ⟦ciˉ⟧A=ci\llbracket \bar{c_i} \rrbracket_{\mathfrak{A}} = c_i;
  2. ⟦a⟧A=a\llbracket a \rrbracket_{\mathfrak{A}} = a;
  3. ⟦Fi(t1,...,tai)⟧A=Fi(⟦t1⟧A,...,⟦tai⟧A)\llbracket F_i(t_1, ..., t_{a_i}) \rrbracket_{\mathfrak{A}} = F_i(\llbracket t_1 \rrbracket_{\mathfrak{A}}, ..., \llbracket t_{a_i} \rrbracket_{\mathfrak{A}})。

SENTSENT:

L(A)L(\mathfrak{A}) 在 A\mathfrak{A} 的語句的詮釋是一個函數 (.)A:SENT→{0,1}(.)^{\mathfrak{A}}: SENT \rightarrow \{ 0, 1 \} 滿足:

  1. ⟦⊥⟧A=0\llbracket \bot \rrbracket_{\mathfrak{A}} = 0;
  2. ⟦Rˉ⟧A=R\llbracket \bar{R} \rrbracket_{\mathfrak{A}} = R;
  3. ⟦Rˉi(t1,...,tri)⟧A=1\llbracket \bar{R}_i(t_1, ..., t_{r_i}) \rrbracket_{\mathfrak{A}} = 1 當且僅當 ⟦t1⟧A,...,⟦tri⟧A∈Ri\llbracket t_1 \rrbracket_{\mathfrak{A}}, ..., \llbracket t_{r_i} \rrbracket_{\mathfrak{A}} \in R_i;
  4. ⟦t1=t2⟧A=1\llbracket t_1 = t_2 \rrbracket_{\mathfrak{A}} = 1 當且僅當 ⟦t1⟧A=⟦t2⟧A\llbracket t_1 \rrbracket_{\mathfrak{A}} = \llbracket t_2 \rrbracket_{\mathfrak{A}};
  5. ⟦ϕ∧ψ⟧A=min⁡(⟦ϕ⟧A,⟦ψ⟧A)\llbracket \phi \land \psi \rrbracket_{\mathfrak{A}} = \min(\llbracket \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}}, \llbracket \psi \rrbracket_{\mathfrak{A}});
  6. ⟦ϕ∨ψ⟧A=max⁡(⟦ϕ⟧A,⟦ψ⟧A)\llbracket \phi \lor \psi \rrbracket_{\mathfrak{A}} = \max(\llbracket \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}}, \llbracket \psi \rrbracket_{\mathfrak{A}});
  7. ⟦ϕ→ψ⟧A=max⁡(1,1−⟦ϕ⟧A+⟦ψ⟧A)\llbracket \phi \rightarrow \psi \rrbracket_{\mathfrak{A}} = \max(1, 1 - \llbracket \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}} + \llbracket \psi \rrbracket_{\mathfrak{A}});
  8. ⟦ϕ↔ψ⟧A=1−∣⟦ϕ⟧A−⟦ψ⟧A∣\llbracket \phi \leftrightarrow \psi \rrbracket_{\mathfrak{A}} = 1 - |\llbracket \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}} - \llbracket \psi \rrbracket_{\mathfrak{A}}|;
  9. ⟦¬ϕ⟧A=1−⟦ϕ⟧A\llbracket \neg \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}} = 1 - \llbracket \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}};
  10. ⟦∀xiϕ⟧A=min⁡a∈∣A∣⟦ϕ[a/xi]⟧A\llbracket \forall x_i \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}} = \min_{a \in |\mathfrak{A}|} \llbracket \phi[a/x_i] \rrbracket_{\mathfrak{A}};
  11. ⟦∃xiϕ⟧A=max⁡a∈∣A∣⟦ϕ[a/xi]⟧A\llbracket \exists x_i \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}} = \max_{a \in |\mathfrak{A}|} \llbracket \phi[a/x_i] \rrbracket_{\mathfrak{A}}。

定義 2.14 ⊨\models

A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi 當且僅當 ⟦ϕ⟧A=1\llbracket \phi \rrbracket_{\mathfrak{A}} = 1。

定義 2.15 宇封閉句 universal closure

令 FV(ϕ)=z1,...,znFV(\phi)={z_1, ..., z_n},則 Cl(ϕ):=∀z1...zkϕCl(\phi):= \forall z_1...z_k \phi 是 ϕ\phi 的宇封閉句。


透過宇封閉句,我們可以將詮釋從封閉語句擴展到所有構句,由於對於所有的封閉構句 ψ\psi,Cl(ψ)=ψCl(\psi) = \psi,因此這個定義是合法的:

定義 2.16

A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi 當且僅當 A⊨Cl(ϕ)\mathfrak{A}\models Cl(\phi)。

定義 2.17

  1. ⊨ϕ\models \phi 當且僅當 A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi 對所有的 A\mathfrak{A} 成立。
  2. A⊨Σ\mathfrak{A}\models \Sigma 當且僅當 A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi 對所有的 ϕ∈Σ\phi \in \Sigma 成立。
  3. Γ⊨ϕ\Gamma \models \phi 當且僅當若 A⊨Γ\mathfrak{A}\models \Gamma,則 A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi。

引理 2.18 構句的邏輯意涵

對於語句 ϕ\phi 和 ψ\psi,下列等價性成立:

  1. A⊨ϕ∧ψ\mathfrak{A}\models \phi \land \psi 當且僅當 A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi 和 A⊨ψ\mathfrak{A}\models \psi;
  2. A⊨ϕ∨ψ\mathfrak{A}\models \phi \lor \psi 當且僅當 A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi 或 A⊨ψ\mathfrak{A}\models \psi;
  3. A⊨¬ϕ\mathfrak{A}\models \neg \phi 當且僅當 A⊭ϕ\mathfrak{A}\not\models \phi;
  4. A⊨ϕ→ψ\mathfrak{A}\models \phi \rightarrow \psi 當且僅當 A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi 蘊含 A⊨ψ\mathfrak{A}\models \psi;
  5. A⊨ϕ↔ψ\mathfrak{A}\models \phi \leftrightarrow \psi 當且僅當 A⊨ϕ\mathfrak{A}\models \phi 等價於 A⊨ψ\mathfrak{A}\models \psi;
  6. A⊨∀xiϕ\mathfrak{A}\models \forall x_i \phi 當且僅當 A⊨ϕ[aˉ/xi]\mathfrak{A}\models \phi[\bar{a}/x_i] 對所有的 a∈∣A∣a \in |\mathfrak{A}|;
  7. A⊨∃xiϕ\mathfrak{A}\models \exists x_i \phi 當且僅當 A⊨ϕ[aˉ/xi]\mathfrak{A}\models \phi[\bar{a}/x_i] 對某個 a∈∣A∣a \in |\mathfrak{A}|。

述詞邏輯

定理 2.19 量詞拘束構句的等價性

  1. ⊨¬∀x¬ϕ↔∃xϕ\models \neg \forall x \neg \phi \leftrightarrow \exists x \phi;
  2. ⊨¬∃x¬ϕ↔∀xϕ\models \neg \exists x \neg \phi \leftrightarrow \forall x \phi。

定理 2.20 量詞的結構規則

  1. ⊨∀x∀yϕ↔∀y∀xϕ\models \forall x \forall y \phi \leftrightarrow \forall y \forall x \phi;
  2. ⊨∃x∃yϕ↔∃y∃xϕ\models \exists x \exists y \phi \leftrightarrow \exists y \exists x \phi;
  3. ⊨∀xϕ↔ϕ\models \forall x \phi \leftrightarrow \phi,當 x∉FV(ϕ)x \not\in FV(\phi);
  4. ⊨∃xϕ↔ϕ\models \exists x \phi \leftrightarrow \phi,當 x∉FV(ϕ)x \not\in FV(\phi)。

定理 2.21 量詞的分配規則

  1. ⊨∀x(ϕ∧ψ)↔(∀xϕ∧∀xψ)\models \forall x (\phi \land \psi) \leftrightarrow (\forall x \phi \land \forall x \psi);
  2. ⊨∃x(ϕ∨ψ)↔(∃xϕ∨∃xψ)\models \exists x (\phi \lor \psi) \leftrightarrow (\exists x \phi \lor \exists x \psi);
  3. ⊨∀x(ϕ∨ψ)↔(∀xϕ∨ψ)\models \forall x (\phi \lor \psi) \leftrightarrow (\forall x \phi \lor \psi),當 x∉FV(ψ)x \not\in FV(\psi);
  4. ⊨∃x(ϕ∧ψ)↔(∃xϕ∧ψ)\models \exists x (\phi \land \psi) \leftrightarrow (\exists x \phi \land \psi),當 x∉FV(ψ)x \not\in FV(\psi)。

引理 2.22 替代的交換律

  1. x∉FV(r)x\not\in FV(r) 和 yy 是相異變數,則 (t[s/x])[r/y]=(t[r/y])[s[r/y]/x](t[s/x])[r/y]=(t[r/y])[s[r/y]/x];
  2. x∉FV(s)x\not\in FV(s) 和 yy 是相異變數,且 tt 和 ss 對於 xx 和 yy 在 ϕ\phi 是自由的,則 (ϕ[t/x])[s/y]=(ϕ[s/y])[t[s/y]/x](\phi[t/x])[s/y]=(\phi[s/y])[t[s/y]/x];
  3. ψ\psi 對於 π\pi 在 ϕ\phi 是自由的,並且 tt 對於 xx 在 ϕ\phi 和 ψ\psi 中是自由的,則 (ϕ[ψ/π])[t/x]=(ϕ[t/x])[ψ[t/x]/π](\phi[\psi/\pi])[t/x]=(\phi[t/x])[\psi[t/x]/\pi];
  4. ϕ\phi 和 ψ\psi 對於 π1\pi_1、π2\pi_2 在 σ\sigma 是自由的,ψ\psi 對於 π2\pi_2 在 ϕ\phi 中是自由的,並且 π1\pi_1 在 ψ\psi 中沒有出現,則 (σ[ϕ/π1])[ψ/π2]=(σ[ψ/π2])[ϕ[ψ/π2]/π1](\sigma[\phi/\pi_1])[\psi/\pi_2]=(\sigma[\psi/\pi_2])[\phi[\psi/\pi_2]/\pi_1]。

推論 2.23

  1. z∉FV(t)z\not\in FV(t),則 t[aˉ/x]=(t[z/x])[aˉ/z]t[\bar{a}/x] = (t[z/x])[\bar{a}/z];
  2. z∉FV(ϕ)z\not\in FV(\phi) 且 zz 對於 xx 在 ϕ\phi 中是自由的,則 ϕ[aˉ/x]=(ϕ[z/x])[aˉ/z]\phi[\bar{a}/x] = (\phi[z/x])[\bar{a}/z]。

定理 2.24 拘束變數的變換

若 xx 和 yy 對於 zz 在 ϕ\phi 中是自由的,且 x,y∉FV(ϕ)x, y \not\in FV(\phi),則 ⊨∃xϕ[x/z]↔∃yϕ[y/z]\models\exists x \phi [x/z] \leftrightarrow \exists y \phi [y/z] 且 ⊨∀xϕ[x/z]↔∀yϕ[y/z]\models\forall x \phi [x/z] \leftrightarrow \forall y \phi [y/z]。

推論 2.25

所有構句都等價一個沒有變元同時是自由又拘束的構句。

定理 2.26 替代定理

  1. ⊨t1=t2→s[t1/x]=s[t2/x]\models t_1 = t_2 \rightarrow s[t_1/x] = s[t_2/x];
  2. ⊨t1=t2→(ϕ[t1/x]↔ϕ[t2/x])\models t_1 = t_2 \rightarrow (\phi[t_1/x] \leftrightarrow \phi[t_2/x]);
  3. ⊨(ϕ↔ψ)→(σ[ϕ/π]↔σ[ψ/π])\models(\phi \leftrightarrow \psi) \rightarrow (\sigma[\phi/\pi] \leftrightarrow \sigma[\psi/\pi])。

推論 2.27

  1. ⟦s[t/x]⟧=⟦s[⟦t⟧ˉ/x]⟧\llbracket s[t/x] \rrbracket = \llbracket s [\bar{ \llbracket t \rrbracket } / x] \rrbracket;
  2. ⟦ϕ[t/x]⟧=⟦ϕ[⟦t⟧ˉ/x]⟧\llbracket \phi[t/x] \rrbracket = \llbracket \phi [\bar{ \llbracket t \rrbracket } / x] \rrbracket。

定義 2.28 前束標準句 prenex normal form

一個構句 ϕ\phi 是前束標準式,當且僅當 ϕ=Q1x1...Qnxnψ\phi = Q_1 x_1 ... Q_n x_n \psi,其中 QiQ_i 是量詞,{Qi}\{ Q_i \} 可以是 ∅\emptyset,ψ\psi 是開放構句,且 x1,...,xnx_1, ..., x_n 是互異的變數。

定理 2.29 前束標準句的存在

對於每一個構句 ϕ\phi,存在一個等價的前束標準句。

定義 2.30 一元述詞與量詞作用域 unary predicate and scope of quantifier

若 PP 是一個一元述詞符號,則 (∀x∈P)ϕ:=∀x(P(x)→ϕ)(\forall x \in P)\phi := \forall x (P(x) \rightarrow \phi),(∃x∈P)ϕ:=∃x(P(x)∧ϕ)(\exists x \in P)\phi := \exists x (P(x) \land \phi)。