編輯推薦
A short digression into model theory will help us to analyze the expressive power of the first-order language, and it will turn out that there are certain deficiencies. For example, the first-order language does not allow the formulation of an adequate axiom system for arithmetic or analysis. On the other hand, this di~culty can be overcome——-even in the framework of first-order logic——by developing mathematics in set-theoretic terms. We explain the prerequisites from set theory necessary for this purpose and then treat the subtle relation between logic and set theory in a thorough manner.
Godels incompleteness theorems are presented in connection with several related results (such as Trahtenbrots theorem) which all exemplify the limitatious of machine-oriented proof methods. The notions of computability theory that are relevant to this discussion are given in detail. The concept of computability is made precise by means of the register machine as a
內容簡介
What is a mathematical proof? How can proofs be justified? Are there limitations to provability? To what extent can machines carry out mathematical proofs?
Only in this century has there been success in obtaining substantial and satisfactory answers. The present book contains a systematic discussion of these results. The investigations are centered around first-order logic. Our first goal is Godels completeness theorem, which shows that the consequence relation coincides with formal provability: By means of a calculus consisting of simple formal inference rules, one can obtain all consequences of a given axiom system (and in particular, imitate all mathematical proofs)
內頁插圖
目錄
Preface
PART A
ⅠIntroduction
1.An Example from Group Theory
2.An Example from the Theory of Equivalence Relations
3.A Preliminary Analysis
4.Preview
Ⅱ Syntax of First-Order Languages
1.Alphabets
2.The Alphabet of a First-Order Language
3.Terms and Formulas in First-Order Languages
4.Induction in the Calculus of Terms and in the Calculus of Formulas
5.Free Variables and Sentences
Ⅲ Semantics of First-Order Languages
1.Structures and Interpretations
2.Standardization of Connectives
3.The Satisfaction Relation
4.The Consequence Relation
5.Two Lemmas on the Satisfaction Relation
6.Some simple formalizations
7.Some remarks on Formalizability
8.Substitution
Ⅳ A Sequent Calculus
1.Sequent Rules
2.Structural Rules and Connective Rules
3.Derivable Connective Rules
4.Quantifier and Equality Rules
5.Further Derivable Rules and Sequents
6.Summary and Example
7.Consistency
ⅤThe Completeness Theorem
1.Henkin’S Theorem.
2. Satisfiability of Consistent Sets of Formulas(the Countable Casel
3. Satisfiability of Consistent Sets of Formulas(the General Case)
4.The Completeness Theorem
Ⅵ The LSwenheim-Skolem and the Compactness Theorem
1.The L6wenheim-Skolem Theorem.
2.The Compactness Theorem
3.Elementary Classes
4.Elementarily Equivalent Structures
Ⅶ The Scope of First-Order Logic
1.The Notion of Formal Proof
2.Mathematics Within the Framework of Fimt—Order Logic
3.The Zermelo-Fraenkel Axioms for Set Theory.
4.Set Theory as a Basis for Mathematics
Ⅷ Syntactic Interpretations and Normal Forms
1.Term-Reduced Formulas and Relational Symbol Sets
2.Syntactic Interpretations
3.Extensions by Definitions
4.Normal Forms
PART B
Ⅸ Extensions of First-order logic
Ⅹ Limitations of the Formal Method
Ⅺ Free Models and Logic Programming
Ⅻ An Algebraic Characterization of Elementary Equivalence
ⅩⅢ Lindstrom’s Theorems
References
Symbol Index
Subject Index
前言/序言
數理邏輯(第2版) [Mathematical Logic] 簡介 內容提要: 本書是經典的《數理邏輯》教材的修訂再版,旨在為讀者提供一套係統、嚴謹且深入的數理邏輯基礎知識體係。本書內容涵蓋瞭經典邏輯的基礎、一階邏輯的完備性與緊緻性,以及非經典邏輯的初步探討,力求在保持理論深度的同時,兼顧教學的清晰性與可理解性。修訂後的第二版在原版的基礎上,對部分證明和概念的闡述進行瞭優化,增加瞭新的習題和案例分析,以更好地適應當代數學基礎教育的需求。 第一部分:經典命題邏輯 本書伊始,我們從數理邏輯的基石——經典命題邏輯(Propositional Logic)入手。這一部分旨在建立讀者對邏輯形式化思維的初步認識。 1. 基本概念的引入: 我們首先界定瞭邏輯語言的構成要素,包括原子命題、連接詞(如‘非’、‘閤取’、‘析取’、‘蘊含’和‘等價’)的精確定義。通過對這些基本符號的組閤,讀者將學習如何將日常的自然語言陳述轉化為精確的邏輯公式。 2. 邏輯係統的構建: 接著,本書詳細闡述瞭如何構建一個可靠的邏輯係統。這包括公理係統的選擇,以及推理規則(如肯定前件規則 Modus Ponens)的引入。我們著重介紹瞭自然演繹係統(Natural Deduction System)和序列演算係統(Sequent Calculus),並詳盡展示瞭如何利用這些係統來構造有效的證明,從而推導齣復雜的邏輯真理。 3. 語義學的建立: 在形式化的基礎上,本書轉嚮瞭邏輯的語義方麵——真值和可滿足性。我們引入瞭真值錶方法(Truth Tables),這是理解命題邏輯語義的直觀工具。隨後,我們深入探討瞭邏輯等價性、重言式(Tautologies)、矛盾式(Contradictions)和可滿足式(Satisfiable Formulas)的概念。通過對這些概念的精確定義和實例分析,讀者將能夠係統地判斷任意給定公式的邏輯性質。 4. 完備性與緊緻性證明: 命題邏輯部分的高潮在於對完備性(Completeness)和緊緻性(Compactness)定理的證明。我們將嚴格地證明,任何可以在語義上被證明為重言式的公式,都可以通過公理係統進行形式推導。緊緻性定理的證明則展示瞭有限性在邏輯結構中的重要作用。 第二部分:一階謂詞邏輯 在掌握瞭命題邏輯之後,我們將邏輯的錶達能力提升到更高的層次——一階謂詞邏輯(First-Order Predicate Logic,FOL)。這是現代數學和計算機科學中應用最為廣泛的邏輯係統。 1. FOL的語言與語法: 本部分詳細定義瞭FOL的語言結構,包括常量符號、函數符號、謂詞符號、變量以及量詞(全稱量詞 $forall$ 和存在量詞 $exists$)。我們構建瞭相應的項(Terms)和公式(Formulas)的遞歸定義,並對自由變量和束縛變量進行瞭清晰的區分。 2. 語義學基礎——模型論: 謂詞邏輯的語義學遠比命題邏輯復雜。我們引入瞭“結構”(Structure)或“模型”(Model)的概念,定義瞭如何在一個給定的結構上解釋謂詞、函數和項的意義。隨後,我們對量詞進行瞭嚴格的解釋,定義瞭公式在特定模型下的真值條件。 3. 形式係統與證明論: 類似於命題邏輯,我們也為FOL構建瞭形式化的證明係統。本書側重於展示如何將自然演繹係統擴展到包含量詞規則,例如如何正確地引入和消除全稱量詞和存在量詞。我們將詳細分析這些擴展規則的有效性。 4. 可滿足性、有效性和邏輯等價性: 在FOL的框架下,我們重新審視瞭可滿足性、有效性(邏輯真理性)和邏輯等價性的概念。由於一階邏輯的無限性,簡單的真值錶方法不再適用,因此我們將重點放在通過證明技術來建立這些性質。 第三部分:元邏輯的重要結果 本部分是全書理論深度的集中體現,涉及哥德爾(Gödel)開創性的元邏輯研究成果。 1. 可證明性與可判定性: 我們引入瞭“可定義性”(Definability)的概念,並開始討論邏輯係統的“可判定性”問題。 2. 哥德爾完備性定理(Gödel's Completeness Theorem for FOL): 我們將提供對一階邏輯完備性定理的完整、嚴謹的證明。該定理的核心在於證明任何在所有模型中都為真的公式都可以通過一階邏輯的公理和推理規則被形式地證明齣來。 3. 哥德爾首次及第二次不完備性定理(Gödel's Incompleteness Theorems): 盡管本書主要關注邏輯係統本身,但我們仍會精要地介紹哥德爾不完備性定理的背景和核心思想。我們將探討如何通過哥德爾編碼(Gödel Numbering)將元數學語句轉化為算術語句,從而揭示任何足夠強大的、包含基本算術的一緻的公理係統必然存在無法被證明也無法被證否的命題。 4. 緊緻性與局部緊緻性: 對一階邏輯的緊緻性定理將再次被迴顧和證明,並探討其在模型論中的重要推論。 第四部分:初步探討:非經典邏輯與計算模型 為瞭拓寬讀者的視野,本書最後簡要介紹瞭經典邏輯之外的一些重要邏輯分支,展示數理邏輯在不同領域中的應用潛力。 1. 模態邏輯簡介: 我們將簡要介紹模態邏輯(Modal Logic),特彆是關於必然性($Box$)和可能性($Diamond$)的邏輯框架,及其在知識錶示和推理中的初步應用。 2. 邏輯與計算的聯係: 簡要提及圖靈機(Turing Machines)和可計算性理論(Computability Theory)與邏輯可判定性之間的深刻聯係,暗示瞭邏輯在理論計算機科學中的核心地位。 目標讀者與教學特點: 本書麵嚮高等院校數學、計算機科學、哲學和語言學等專業的本科高年級學生或研究生。第二版特彆注重邏輯推理的嚴密性和證明的清晰性,習題設計從基礎概念的鞏固到高級定理的推導,難度遞進,以期幫助讀者真正掌握數理邏輯作為一種精確分析工具的強大能力。我們堅信,對邏輯基礎的深入理解,是從事任何高級抽象思維活動的必備前提。