日記 (2025 年 3 月 6 日)

今回は、 様相論理版の de Morgan の法則を証明して、 様相式に対するその応用を考える。

まずは、 式の双対を定義しよう。

定義 7.1.

式 A に対して、 式 A∗ を次のように帰納的に定義する。 pn∗ :≡ ¬pn ⊤∗ :≡ ⊥ ⊥∗ :≡ ⊤ (¬A)∗ :≡ ¬A∗ (A∧B)∗ :≡ B∗∨A∗ (A∨B)∗ :≡ B∗∧A∗ (A⇀B)∗ :≡ B∗∖A∗ (◻A)∗ :≡ ⬦A∗ (⬦A)∗ :≡ ◻A∗ この A∗ を A の 「双対 (dual)」 という。 なお上記で、 式 A,B に対して、 B∖A:≡B∧¬A と書いた。

すると、 de Morgan の法則は次のように述べられる。 式変形のための道具はすでにかなり揃っているので、 証明はただやるだけである。

命題 7.2.

正規な理論 󱁑 をとる。 式 A に対し、 ⊢󱁑A⥎¬A∗ が成り立つ。 したがって特に、 ⊢󱁑A⟺⊢󱁑¬A∗ も成り立つ。

証明.

後半の主張は、 前半の主張と命題 5.1 から従う。 以降、 前半の主張を示す。 A の構造に関する帰納法による。

A≡pn のとき。 双対の定義によって示すべきは ⊢󱁑pn⥎¬¬pn であるが、 これは明らかに成り立つ。

A≡⊤ や A≡⊥ のときも、 同様に明らかに命題の主張は成り立つ。

A≡X∧Y のとき。 帰納法の仮定により、 ⊢󱁑X⥎¬X∗⊢󱁑Y⥎¬Y∗ がともに成り立つ。 ここで、 ⊢󱁑¬X∗∧¬Y∗⥎¬(Y∗∨X∗) である。 上の 2 つの式と命題 6.2 を使うことでこの式の ¬X∗ と ¬Y∗ を書き換えることで、 ⊢󱁑X∧Y⥎¬(Y∗∨X∗) が得られる。 ¬(X∧Y)∗≡¬(Y∗∨X∗) だから、 これがまさに示すべき主張である。

A≡X∨Y や A≡X⇀Y や A≡¬X のときも、 上記と同様に示される。

A≡◻X のとき。 帰納法の仮定により、 ⊢󱁑X⥎¬X∗ が成り立つ。 これと命題 5.3 により、 ⊢󱁑◻X⥎◻¬X∗♡ が分かる。 さて一方、 正規な理論が Dual⬦ を含むことから、 ⊢󱁑⬦X∗⥎¬◻¬X∗ が成り立つ。 ここからは、 命題 5.1 などによって、 ⊢󱁑◻¬X∗⥎¬⬦X∗ が分かる。 これと命題 6.2 によって、 主張 ♡ に含まれる ◻¬X∗ の部分を置き換えることで、 ⊢󱁑◻X⥎¬⬦X∗ が得られる。 ¬(◻X)∗≡¬⬦X∗ だから、 これがまさに示すべき主張である。

A≡⬦X のときも、 これと同様に示される。

これで全ての場合が尽くされたので、 命題の主張が示された。

この命題の応用として、 様相式の双対に関する主張を紹介しよう。 主張を述べやすくするために、 まず 「様相列」 という概念を導入する。

定義 7.3.

◻ もしくは ⬦ から成る有限の長さの列 (空でも良い) を 「様相列 (modality sequence)」 という。

定義 7.4.

様相列 φ に対し、 φ を構成している ◻ と ⬦ を入れ替えて得られる様相列を、 φ の 「双対 (dual)」 といって φ∗ で表す。

例えば、 ◻◻⬦ や ⬦◻⬦⬦◻⬦ などが様相列である。 これらの双対は、 それぞれ ⬦⬦◻ と ◻⬦◻◻⬦◻ である。

また、 様相列 φ と式 A に対し、 φ を構成する様相を右から順に A に適用して得られる式を φA と書くことにする。 例えば、 様相列 φ:≡◻◻⬦ に対し、 φA とはそのまま ◻◻⬦A のことである。 また、 任意の様相列 φ と式 A に対し、 (φA)∗≡φ∗A∗ となることにも注目したい。

様相列の双対については、 命題 7.2 によって以下の命題が成り立つ。 厳密性は欠けるが端的に言ってしまえば、 様相列 φ に対して、 φ と ¬φ∗¬ は同値な演算子だということである。

命題 7.5.

正規な理論 󱁑 をとる。 様相列 φ と式 A に対し、 ⊢󱁑φA⥎¬φ∗¬A が成り立つ。

証明.

まず命題 7.2 によって、 ⊢󱁑φA⥎¬(φA)∗ が成り立つ。 双対の定義から (φA)∗≡φ∗A∗ であるから、 これは ⊢󱁑φA⥎¬φ∗A∗ が成り立つということである。 さて、 命題 7.2 を命題 5.1 で少し変形することで、 ⊢󱁑A∗⥎¬A が得られるから、 これら 2 つの式に命題 6.2 を使うことで、 ⊢󱁑φA⥎¬φ∗¬A が示された。

この命題からは、 様相式から様相式への含意の形をしたスキーマがそれの (含意式としての) 双対と同値であることが分かる。

命題 7.6.

正規な理論 󱁑 をとる。 様相列 φ,ψ に対し、 2 条件

  1. 任意の式 A に対し、 ⊢󱁑φA⇀ψA が成り立つ。
  2. 任意の式 A に対し、 ⊢󱁑ψ∗A⇀φ∗A が成り立つ。

は同値である。

証明.

条件 1 ⇒ 条件 2:任意に式 A をとる。 仮定から、 ⊢󱁑φ¬A⇀ψ¬A が成り立つ。 命題 7.5 と命題 6.2 により、 ⊢󱁑¬φ∗¬¬A⇀¬ψ∗¬¬A が得られる。 ここからは、 まず命題 5.1 により、 ⊢󱁑ψ∗¬¬A⇀φ∗¬¬A が分かる。 そして ⊢󱁑¬¬A⥎A であるから、 命題 6.2 により、 ⊢󱁑ψ∗A⇀φ∗A が示された。

条件 2 ⇒ 条件 1:こちら向きも上記とほぼ同様に示せる。 任意の式 A をとると、 仮定から、 ⊢󱁑ψ∗¬A⇀φ∗¬A が成り立つ。 命題 5.1 により、 ⊢󱁑¬φ∗¬A⇀¬ψ∗¬A が分かる。 命題 7.5 と命題 6.2 を使えば、 ⊢󱁑φA⇀ψA が示された。

さて、 2 月 25 日では、 重要なスキーマとして D,T,B,4,5 を紹介した。 改めてここで定義を確認しておくと、 各式 A に対して、 DA :≡ ◻A⇀⬦A TA :≡ ◻A⇀A BA :≡ A⇀◻⬦A 4A :≡ ◻A⇀◻◻A 5A :≡ ⬦A⇀◻⬦A であった。 これらは全て、 様相式から様相式への含意の形をしている。 そこで、 それぞれの双対として、 スキーマ D†,T†,B†,4†,5† を、 各式 A に対して、 DA† :≡ ◻A⇀⬦A TA† :≡ A⇀⬦A BA† :≡ ⬦◻A⇀A 4A† :≡ ⬦⬦A⇀⬦A 5A† :≡ ⬦◻A⇀◻A と定義しよう。 D だけその双対が自分自身と一致しているが、 それ以外は異なる形のスキーマが得られている。 しかし命題 7.6 により、 T を公理として追加することと T† を公理として追加することは結局同値である。 他のスキーマについても同じことが言える。

次回は、 ベースとなる演繹体系 K に対してスキーマ D,T,B,4,5 を追加するとどうなるかについて詳しく見ていく。

参考文献

  1. B. F. Chellas (1980) 『Modal Logic』 Cambridge University Press
  2. P. Blackburn, M. de Rijke, Y. Venema (2001) 『Modal Logic』 Cambridge University Press