A Crash Course in Predicate Logic

Hillel Wayne

謂詞邏輯速成課

原文由 Hillel Wayne 發布,訂閱此部落格

我開始寫作 Logic for Programmers 是因為當時根本找不到適合——呃——給程式設計師看的邏輯教材。現在書已經出版了,新的問題是:還是找不到好的免費邏輯教材給程式設計師看。

所以,為了解決那個問題(順便幫書打點廣告),我把《LfP》第二章改寫成一篇部落格文章。所有註腳都是編按,並未收錄在書中。1 請慢慢享用!


第 2 章:邏輯速成課

形式邏輯是非常強大的工具,但同時也非常簡單。在這一章中,我們將說明並解釋基本概念與語法,包括謂詞、蘊含運算子、集合以及集合量詞。其中許多概念,或許你從寫程式的經驗中就已經很熟悉了!

謂詞

粗略來說,謂詞就是一種會回傳布林值的函式。身為程式設計師,你大概已經寫過幾十個謂詞了。以下這些都是謂詞:

  • Positive(x) 在 x 大於 0 時為真。
  • IsSum(x, y, z) 在 x 加 y 等於 z 時為真。
  • RAMAtLeast(c, r) 在電腦 c 擁有至少 r 位元組的實體記憶體時為真。

我說「粗略來說」是因為謂詞是一個數學概念,而不是程式語言的結構。程式中的函式必須提供計算答案的方法,而謂詞只是定義答案是什麼。以 RAMAtLeast 為例,軟體實作會取決於程式語言、作業系統,甚至實體硬體。但謂詞呢?電腦有足夠的記憶體就是真,沒有就是假,就這樣而已。

這代表謂詞可以比程式函式更抽象,能夠表達我們根本無法計算、或至少還不知道怎麼計算的事物。以下這些也都是合法的謂詞:

  • CanRunProgram(c) 在電腦 c 能夠執行我們的程式時為真,無論「能夠」的最終定義是什麼。
  • RainyDayInCa(date)date 當天加拿大某處有下雨時為真。
  • NotAlone() 在外星人真的存在時為真。

另一方面,Positive(x) 就很容易計算:只要檢查 x > 0 就好。謂詞的強大之處在於它能橫跨各種抽象層次。所以我們來引入一些語法,以區分抽象謂詞具體謂詞。如果是抽象謂詞,我會把本體用 `backticks`(反引號)包起來:

# concrete
Positive(x) = x > 0
IsSum(x, y, z) = x + y == z

# abstract
CanRunProgram(c) = `c can run our program`

這不是數學家常用的慣例,但對我們的目的來說已經夠清楚了。為了區分謂詞和像 add_two 這種「一般」函式,謂詞一律採用 TitleCase,函式則一律採用 snake_case

在你寫過的程式中找幾個謂詞。它們是抽象謂詞還是具體謂詞?

解答

謂詞通常是指那些不會改變程式或外部狀態、且回傳布林值的函式。我最近寫過的一個是 document_has_exactly_one_foo。你找到的謂詞應該全都是具體的,因為「抽象」謂詞根本無法真的寫成程式碼。不過,你可能會在設計文件中看到一兩個抽象謂詞。

既然謂詞回傳的是布林值,現在正是把布林運算先講清楚的好時機。不同的程式語言對 AND、OR(包含的或)與 NOT 使用不同的符號。數學家用的是 ∧、∨ 和 ¬。我不會用這些符號,因為鍵盤上打不出來。相反地,我會用 &&||! 作為我們的符號。所以 X && !Y 的意思是「X 為真且 Y 為假」。2

除了常見的三種布林運算子之外,數學家還承認第四種:=>。不過在解釋它的意思之前,我們先來練習一下剛學到的東西。

實務範例

謂詞扮演了橋梁的角色,連接我們用自然語言描述系統的方式,以及我們用程式語言編碼的方式。讓我們回到 CanRunProgram。我曾看過一個程式有這樣的需求:

電腦必須有足夠的記憶體,以及一顆快速的 CPU 或一張好的顯示卡(GPU)。

我覺得這句話很讓人困惑。這句英文聽起來很自然,但只要用邏輯形式化,就能發現問題。我們先為每個子需求寫出謂詞,像這樣:

RAM(c) = `c has enough RAM`
CPU(c) = `c has a fast CPU`
GPU(c) = `c has a good GPU`

這些謂詞是抽象的,因為我們不知道它們的具體含義。64GB 算「足夠的記憶體」嗎?32GB 呢?對我們來說細節並不重要,因為這樣就已經足夠把 CanRunProgram 寫成一個具體的數學表達式。

CanRunProgram(c) = RAM(c) && CPU(c) || GPU(c)

現在問題就清楚了:a && b || c 應該被解讀為 (a && b) || c,還是 a && (b || c)?這個謂詞寫得不明確,我們有兩種不同的方式讓它變得合理:

# way 1
CanRunProgram(c) = RAM(c) && (CPU(c) || GPU(c))

# way 2
CanRunProgram(c) = (RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c)

兩種解讀用英文來看都很合理!但它們在某些輸入下會產生不同的結果。我們可以列出 RAM/CPU/GPU 每種可能的取值組合,看看它們對 CanRunProgram 會得出什麼結果。這就叫做真值表3

R(RAM)C(CPU)G(GPU)R && (C OR G)(R && C) OR G
TTTTT
TTFTT
TFTTT
TFFFF
FTTFT
FFTFT
FTFFF
FFFFF

有兩組輸入會讓一種解讀得到「假」,另一種得到「真」。有可能廠商在寫需求時的是第一種解讀,但我卻把它成第二種。我很確定程式在我的電腦上跑得動,結果卻因為記憶體不足而失敗,然後我就會覺得廠商騙了我。用數學來表達需求就清楚多了!

用形式邏輯來表達性質,比用非正式的英文更不容易產生歧義。為了教學方便,我們在此假設原本想表達的謂詞是 (RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c)

我們會在〈決策表〉這一章中,用真值表來進行案例分析。4

如果你在產生真值表時遇到困難,可以試試真值表產生器。我在這裡提供了一個簡單的工具。試試 p || !q,再從那裡開始實驗。

!P && !Q!(P || Q) 製作真值表。

解答
PQ!P && !Q!(P OR Q)
TTFF
TFFF
FTFF
FFTT

這兩個是一樣的。這就是迪摩根定律。

條件謂詞

現在來幫我們的謂詞做點變化。以 CanRunProgram 為例:有些程式有原生版和網頁版。原生版使用本地電腦的資源,而網頁版則是在雲端某處的電腦上完成大部分運算。因此原生版需要一台效能強大的電腦,但任何電腦都能執行網頁版客戶端。

如果電腦執行的是原生版,就必須有足夠的記憶體以及快速的 CPU 或好的顯示卡(GPU)才能使用這個程式。但如果執行的不是原生版,就沒問題。

為了建模這種情況,我們需要一個新的謂詞 Native(p)Native 是程式的屬性,而不是電腦的屬性,所以 CanRunProgram 就同時取決於兩者:

CanRunProgram(c, p) = `true unless Native(p),
  in which case (RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c)`

我在這裡用了反引號,因為有一半的謂詞仍是非正式的英文。事實上,我們已經有足夠的工具把它變成具體的謂詞。每當 Native(p) 為假時,CanRunProgram(c, p) 就應該自動為真:我們甚至不需要去看電腦規格。

CanRunProgram(c, p) =
  !Native(p) || ((RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c))

這是怎麼運作的?如果我們把右半邊抽出來成為一個新的謂詞,像是 Beefy(c),寫成 !Native(p) || Beefy(c),就會比較容易理解。以下是這個表達式的真值表(用 N(p) 代表 Native(p),用 B(c) 代表 Beefy(c)):

N(p)B(c)!N(p) OR B(c)
TTT
TFF
FTT
FFT

Native(p) 為假時,無論 Beefy(c) 的值是什麼,!Native(p) || Beefy(c) 都是真。當 Native(p) 為真時,整個表達式的值就等於 Beefy(c) 的值。所以,只有在執行原生版時我們才會檢查電腦規格,否則就直接忽略。

!P || Q 寫成「只有在 P 為真時才檢查 Q」的這種技巧在數學中非常常見。常見到數學家為它設計了一個專門的運算子:=>,也就是蘊含運算子。P => Q(「P 蘊含 Q」)就等同於 !P || Q。用這種方式表達,我們的謂詞就變成:

CanRunProgram(c, p) =
  Native(p) => (RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c)

=> 的結合優先順序比 &&|| 還低:A && B => C 指的是 (A && B) => C,而不是 A && (B => C)

蘊含運算子非常強大,在很多地方都派得上用場,例如撰寫規格或建立系統模型。其中一個用途是表示某個布林敘述比另一個「更強」。5 舉例來說,「這段程式碼在傳入 0 時會當掉」就是比「這段程式碼有臭蟲」更強的敘述。如果它在某個輸入下會當掉,那它一定有臭蟲!但即使程式沒有當掉,它還是可能有像是差一錯誤(off-by-one error)之類的臭蟲。或者,用數學寫出來就是:

CrashesOnInput(code, 0) => HasBug(code)

蘊含還有一個好用的特性是它具有遞移性。如果 P => QQ => R,那麼我們就知道 P => R,無論 P、Q 和 R 實際上是什麼。如果 CanRenderVideo(c) => CPU(c) && RAM(c),那麼 CanRenderVideo(c) => CanRunProgram(c)

假設我們再加上兩個條件,讓 CanRunProgram 變成

CanRunProgram(c, p) =
  `true unless Native(p) and either Q(p) or R(p),
  in which case (RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c))`

=> 寫出這個式子。再寫出不用 => 的版本。哪一種比較好讀?

解答
  1. Native(p) && (Q(p) || R(p)) => (RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c)
  2. !(Native(p) && (Q(p) || R(p))) || ((RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c))

我個人覺得 (1) 比較好讀,因為沒有那麼多層巢狀表達式。

RAM(c) 的意思是「電腦 c 有足夠的記憶體」。請把它改成「電腦 c 有足夠的記憶體來執行程式 p」。對其他謂詞也做類似的修改,並寫出 CanRunProgram

解答
CanRunProgram(c, p) =
  Native(p) => (RAM(c, p) && CPU(c, p)) || GPU(c, p)
  1. => 寫出「如果 Native(p) 為真則 Web(p) 為假,且如果 Web(p) 為真則 Native(p) 為假」這個表達式。
  2. && 寫出「Native(p)Web(p) 不會同時為真」這個表達式。
  3. || 寫出「Native(p) 為假或 Web(p) 為假」這個表達式。
解答
  1. (Native(p) => !Web(p)) && (Web(p) => !Native(p))
  2. !(Web(p) && Native(p))
  3. !Native(p) || !Web(p)

以這個謂詞為例:

IfElse(c, x, y) =
  (c => x) && (!c => y)

假設 c、x 和 y 都是布林值。

  1. IfElse 何時為真?何時為假?
  2. 這看起來像什麼常見的程式結構?
解答
  1. (c => x) && (!c => y) 等同於 (!c || x) && (c || y)。如果你把各種情況都推演一遍,會發現 IfElsec 為真且 x 為真,或 c 為假且 y 為真時為真。

  2. 如同名稱所暗示的,IfElse 是在模擬條件判斷式。

集合

謂詞的輸入預設是沒有型別的。在 CanRunProgram(c) 中,c 可以是一台電腦,但 c 也可以是一個機器人、數字 26,或字串「the number 26」。在寫程式時,我們會想給它一個型別,明確表示只應該傳入電腦。像是這樣:

CanRunProgram(c) = `c is a computer`
    && ((RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c))

現在,即使我們把一張好的顯示卡黏在一隻貴賓狗身上,CanRunProgram(poodle) 仍然會是假。為了讓「c 是一台電腦」這個概念能用數學來表示,數學家使用集合。集合是無序且元素不重複的值的蒐集,例如「所有電腦」、「所有小於 500 KB 的網頁」或「所有合法的 Java 程式字串」。按照慣例,我們會這樣寫集合的元素:

Computer = {my_laptop, your_laptop, your_other_laptop, ... }

那麼「c 是一台電腦」就等同於說「c 是集合 Computer 中的一個元素」。我們會寫成 c in Computer

CanRunProgram(c) = c in Computer && ((RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c))

為了讓謂詞的定義更簡潔,我會借用常見的程式語法,寫成 CanRunProgram(c: Computer) 來表示「c 必須是 Computer 的元素」,像這樣:

CanRunProgram(c: Computer) = (RAM(c) && CPU(c)) || GPU(c)

這會讓撰寫帶有多個受限參數的謂詞變得更輕鬆。

數學家把集合視為可以用來建構更複雜概念的數學基石。例如,他們可能會用集合來定義有序對,把 (a, b) 寫成 {a, {b}}6 然後再把串列 [a, b, c] 定義為有序對的集合 {(0, a), (1, b), (2, c)}7 有了基於集合的串列「抽象」實作後,他們就可以拋開集合,直接操作串列。

身為程式設計師,我們在使用串列之前不需要先寫出它的形式化定義,反正我們本來就比較喜歡直接使用那種更複雜的抽象。即便如此,集合仍然是一種有用的程式資料型別。我們會在下一章看到這一點。

集合運算

就像我們有數字的算術和布林值的算術一樣,我們也有集合的算術。給定集合 {A, B}{B, C},我們可以做的基本操作有:

  1. 將它們做聯集,也就是把它們併成一個大集合:{A, B} | {B, C} == {A, B, C}
  2. 交集,也就是找出共同的元素:{A, B} & {B, C} == {B}
  3. 差集,也就是從一個集合減去另一個集合:{A, B} - {B, C} == {A}

我們也可以測試一個集合是否是另一個集合的子集EvenIntegersIntegers 的子集,因為 EvenIntegers 的每個元素也都是 Integers 的元素。 2 不是 Integers 的子集,但集合 {2} 是。子集的概念類似於程式語言中的子型別8 如果一個語言說「RectangleShape 的子型別」,意思是所有矩形的集合是所有形狀集合的子集。我們會在更廣泛的「契約」主題中更詳細地探討子型別。

  1. 使用集合 ramcpugpu 來建構集合 can_run_program,也就是所有通過 CanRunProgram(c) 的電腦集合。

  2. 給定集合 ChildAdult,用「集合不重疊」的方式來表達「沒有人同時是小孩又是大人」這個敘述。你可以用 {} 來表示空集合。

  3. 兩個集合的對稱差集是指恰好只屬於其中一個集合的所有元素所成的集合。例如,{A, B}{B, C} 的對稱差集是 {A, C}。只使用基本的集合運算,求出任意集合 ST 的對稱差集。

解答
  1. can_run_program = (ram & cpu) | gpu

  2. Child & Adult == {}。另一種寫法是 Child - Adult == Child && Adult - Child == Adult

  3. 一種寫法是 (S - T) | (T - S);另一種是 (S | T) - (S & T)

要對集合做映射和過濾也非常有用。標準的數學寫法是 {f(x) | P(x)},但我發現初學者常常搞不清楚哪一邊是映射、哪一邊是過濾。因此在這本書中,我會使用更明確的語法:

名稱語法
映射{x^2 for x in set}
過濾{x in set: x > 2}
映射過濾{x^2 for x in set: x > 2}

例如,所有偶數的集合是 {x in Int: x % 2 == 0},而所有偶數的平方根所成的集合則是 {sqrt(x) for x in Int: x % 2 == 0}。這種寫法有時被稱為集合建構式集合建構表示法。之後,集合建構式將成為我們理解資料庫查詢的基礎。

Images 為一個圖片集合,其中每張圖片都是一筆包含名稱、高度、寬度以及大小(以 KB 為單位)等欄位的紀錄。請寫出以下集合的集合建構式:

  1. 所有圖片名稱的集合。
  2. 所有大於 10 KB 的圖片集合。
  3. 所有正方形圖片的高度集合。
解答
  1. {img.name for img in Images}
  2. {img in Images: img.size > 10}
  3. {img.height for img in Images: img.height == img.width}

量詞

我們暫時離開軟體需求,來看看另一個問題。軟體開發團隊通常會要求對主程式碼的變更必須先以 pull request 的形式提出,並由另一位團隊成員審查。更簡潔地說:

在合併之前,pull request 必須先由一位團隊成員審查。

假設我們有兩個集合 PullRequestDeveloper 可以在謂詞中使用。我可以先用這些抽象謂詞來表達這條規則:

ReviewedBy(pr: PullRequest, d: Developer) =
  `d reviewed pull request pr`

CanMerge(pr: PullRequest) = `someone reviewed pr`

這兩個謂詞都是抽象的,但我們應該能夠透過 ReviewedBy 來定義 CanMerge,讓它變得具體。

為此我們需要量詞,也就是作用於整個集合的邏輯表達式。謂詞邏輯中有兩種常見的量詞。第一種,也就是我們在這裡會用到的,叫做 some

Some

some x in set: P(x) 的意思是,在集合 set至少有一個 x 使得 P(x) 為真。

CanMerge(pr: PullRequest) =
  some d in Developer: ReviewedBy(pr, d)

我會這樣唸:「如果在開發者集合中至少存在一個元素 d 使得 ReviewedBy(pr, d) 為真,那麼 CanMerge 對 pull request 元素 pr 為真」。或者簡單說就是「有某個開發者審查過這個 pull request」。

量詞表達式可以對應到一般的英文。9

d 被稱為變數。關鍵字 some 是在對集合 Developer量化,或者說,它的作用域是那個集合。這讓我們對它的用法成為一個有作用域的量詞。比較少見的情況是,一個表達式對任何我們想指定的值都為真。例如,敘述 some x in set: (P(x) && Q) 等同於 Q && some x in set: P(x),無論 set 是什麼。在這種情況下,我們可以選擇省略集合,直接寫成:

(some x: (P(x) && Q)) == (Q && some x: P(x))

這種 some 的用法沒有作用於某個集合,所以我們稱之為無作用域量詞。我們會用到的量詞幾乎全都是有作用域的。

為了避免引發不可名狀的數學恐怖,我們只能對集合和值做量化,不能對謂詞做量化。如果你想進一步了解這些不可名狀的數學恐怖,請參閱附錄〈Beyond Logic〉。

All

就目前而言,CanMerge 太寬鬆了。如果審查者發現了重大的安全性漏洞呢?如果有五位開發者審查了 pull request,其中兩位發現了問題呢?大多數公司會使用更嚴格的合併條件:

在合併之前,pull request 必須至少由一位團隊成員審查,且所有審查者都必須核准該請求

按照慣例,我們先把需求寫成抽象謂詞。

ApprovedBy(pr: PullRequest, d: Developer) = `d approved pr`

SomeoneReviewed(pr: PullRequest) =
  some d in Developer: ReviewedBy(pr, d)
EveryoneApproves(pr: PullRequest) =
  `everyone who reviewed pr also approved it`

CanMerge(pr: PullRequest) =
  SomeoneReviewed(pr) && EveryoneApproves(pr)

這讓我們有機會介紹另一種量詞:allall x in set: P(x) 表示集合中每一個 x 都讓 P(x) 為真。有了它,我們似乎可以這樣寫新的謂詞:

EveryoneApproves(pr: PullRequest) =
  all d in Developer: Approved(pr, d)

但這是錯的:它要求每一位開發者都要核准這個 pull request,包括請病假或正在休育嬰假的開發者。我們只想要求「審查過這個 pull request 的每一位開發者」都核准。我們可以用蘊含來修正這一點。回想一下,P => Q 的意思是 !P || Q。那麼 ReviewedBy(pr, d) => Approved(pr, d) 的意思是,要嘛 d 核准了這個 pull request,要嘛他根本沒有審查。

EverybodyApproves(pr: PullRequest) =
  all d in Developer: ReviewedBy(pr, d) => Approved(pr, d)

我們常常會用 => 來把 all 限縮到元素的子集上。

大多數程式語言都有內建的量詞函式,我們會在後面的章節中討論。如果你的慣用語言沒有,通常也可以用迴圈來模擬量詞。例如,你可以用這樣的虛擬碼來寫 SomeoneReviewed

fun SomeoneReviewed(pr: PR) {
  for (d in developers) {
    if(ReviewedBy(pr, d)) return true;
  }
  return false;
}

我們為什麼還需要 SomeoneReviewed?難道不是只要所有審查過 PR 的人都核准了,就代表一定有人審查過了嗎?請找出 EveryoneApprovedtrueSomeoneReviewedfalse 的邊界情況。

解答

如果沒有任何一位開發者審查過這個 PR,那麼 EveryoneApproved 會是真(零個審查者全部都核准了!)而 SomeoneReviewed 則是假(根本沒人審查)。

一般來說,all x in {}: P(x) 永遠為真(無論 P 是什麼),而 some x in {}: P(x) 永遠為假。

Nat 定義為自然數的集合:0、1、2 等等。

  1. 寫出「每個自然數都小於自己加 1」的邏輯敘述。
  2. 寫出「0 小於等於每個自然數」的邏輯敘述。
解答
  1. all x in Nat: x < x + 1
  2. all x in Nat: 0 <= x
  1. 寫出「對於每個 PR,都有一位開發者核准了它」的邏輯敘述。
  2. 寫出「有一位開發者審查過每一個 pull request」的邏輯敘述。

在這兩種情況下,你都需要把一個量詞放在另一個量詞裡面。

解答
  1. all pr in PR: some d in Developer: ApprovedBy(pr, d)
  2. some d in Developer: all pr in PR: ReviewedBy(pr, d)

能力與保證的取捨

現在我們已經看過 allsome,我想指出一件很重要的事:some x in set: P(x) 在集合越大時越有可能為真,而 all x in set: P(x) 在集合越小時越有可能為真。如果我們有兩個不同的集合,且 set1set2 的子集,我們應該預期會找到某個謂詞 P(x),使得 all x in set1: P(x)some x in set2: !P(x) 同時成立。我們可以說 set1 保證P(x)。來看看三個例子:

  1. 集合「所有 ASCII 字元」是集合「所有 Unicode 字元」的子集。ASCII 保證了每個可表示的字元恰好佔用一個位元組,所以我看到字串 ABC 就能立刻知道它是三個位元組。Unicode 則沒有這種保證,字串 ABC 如果用的是西里爾字母,就可能是六個位元組。

  2. 集合「擁有檔案唯讀權限時能做的事」是「擁有檔案完整權限時能做的事」的子集。唯讀權限保證程式不會改變檔案內容。而擁有完整權限時,任何有臭蟲的程式都可能覆寫我們的資料。

  3. 集合「只使用布林值、AND、OR 和 NOT 的所有邏輯公式」是「所有邏輯公式」的子集。前者保證每個公式都可以轉成真值表。要怎麼為 some x in Nat: OddPerfectNumber(x) 製作真值表?你做不到。數學家到現在都還不知道它是真是假!

同時,我們需要 Unicode 來表示表情符號,需要寫入權限來更新資料,也需要集合量詞來表達大多數有趣的謂詞。這就是能力與保證的取捨:一個語言、格式或工具能做的事情越多,它能給我們的保證就越少。10

我們在這本書的幾乎每一章都會看到這種取捨。

重寫規則

在本書一開始,我說過邏輯就是布林值的數學,就像算術是數字的數學一樣。懂得算術能讓我們化簡數值表達式。例如,我們可以這樣化簡函式 f(x, y) = -10x + 2(y + 5x)

  1. 2(y + 5x) 等同於 2y + 10x
  2. -10x + 2y + 10x 等同於 10x - 10x + 2y
  3. 前兩項互為相反數,所以互相抵消。
  4. 所以我們得到 f(x, y) = 2y

在邏輯中,這些化簡被稱為重寫規則。你可能小時候就已經用過一個重寫規則了:

你覺得抱歉嗎?不覺得?那你是「不不不不」覺得抱歉嗎?

這裡的重寫規則是 !!a == a。這表示 !!(!!Sorry) 等同於 Sorry

我們在邏輯中常用的一些重寫規則有:

名稱表達式等價形式
迪摩根定律!(p && q)!p OR !q
!(p OR q)!p && !q
AND/OR 分配律p && (q OR r)(p && q) OR (p && r)
p OR (q && r)(p OR q) && (p OR r)
單位元素p OR falsep
p && truep

蘊含運算子也有重寫規則。其中一個——逆否命題——對我們會非常有用。

名稱表達式等價形式
定義p => q!p OR q
逆否命題p => q!q => !p
匯出律(p && q) => rp => (q => r)

而量詞也有重寫規則:

名稱表達式等價形式
對偶性all x: !P(x)!(some x: P(x))
some x: !P(x)!(all x: P(x))
分配律some x: (P(x) OR Q(x))(some x: P(x)) OR some x: Q(x)
all x: (P(x) && Q(x))(all x: P(x)) && all x: Q(x)
常數抽取all x: (P(x) OR Q)Q OR all x: P(x)

常數抽取對任何帶有 ||&& 的量詞都適用。分配律則只對 some/||all/&& 適用。

有些規則比其他規則更常出現。接下來我們會大量使用迪摩根定律、逆否命題和量詞對偶性。更完整的清單請見〈重寫規則〉。即使是比較冷門的規則,對於重構程式碼也可能非常有用。

請用重寫規則化簡 !(some x: !P(x))

解答
all x: P(x)

為每個分配律各舉一個現實生活中的例子。

解答

這裡有兩個我想到例子:

  1. 「本週每天又暖和又晴朗」等同於「本週每天都暖和,而且每天都晴朗」。
  2. 「有人有藍眼睛或綠眼睛」等同於「有人有藍眼睛,或有人有綠眼睛」。

some 只對 || 滿足分配律,而 all 只對 && 滿足分配律。請找出符合以下條件的謂詞:

  1. (some x: P(x)) && (some x: Q(x)) != some x: P(x) && Q(x)
  2. all x: P(x) || Q(x) != (all x: P(x)) || (all x: Q(x))

提示:在兩種情況下,都讓左式為真、右式為假。

解答

答案有很多,這裡只舉兩個(假設 Person 是所有曾經活過的人的集合):

  1. (some p in Person: Alive(p)) && (some p in Person: Dead(p)) 為真,some p in Person: (Alive(p) && Dead(p)) 為假。
  2. all p in Person: Alive(p) || Dead(p) 為真,all p in Person: Alive(p) || all p in Person: Dead(p) 為假。

定理

你可能聽過數學家會試圖證明定理。定理只是一個永遠為真的數學敘述,而證明就是一組清楚的步驟,讓你從已知為真的事實出發,推導出該定理為真。

我列出的每一個重寫規則都是一個定理,而且我們可以證明它們永遠成立。以逆否命題為例。要證明我們永遠可以把 !Q => !P 重寫成 P => Q,我們可以:

  1. !Q => !P 開始。
  2. 套用蘊含的定義,得到 !!Q || !P
  3. 消去雙重否定,得到 Q || !P
  4. 再次套用蘊含的定義,得到 P => Q

鏘鏘,我們剛剛就寫出了一個證明!試試看反過來,從 P => Q 出發。

P => Q 出發,將其重寫為 !Q => !P

解答

先將它重寫為 !P || Q。然後把 Q 替換為 !(!Q),得到 !(!Q) || !P。再將它重寫為 !Q => !P

大多數定理都可以用不只一種方法來證明。以下是逆否命題重寫規則的另一種完全不同的證明:

  1. 畫出 P => Q!Q => !P 的真值表。
  2. 它們是一樣的。

定理是數學的基礎。定理告訴我們一個邏輯工具(如逆否命題或迪摩根定律)是否真的有效。我們可以在不了解背後定理的情況下使用邏輯機制,就像我們知道 117*92 == 92*117 而不需要先寫出證明一樣。話雖如此,我們也可以證明關於程式碼的定理,這是一個我們會在專屬章節中涵蓋的專門主題。

表示法

數學家喜歡說邏輯是一種「語言」。語言的目的是清楚地傳達複雜的想法,而有時最好的方法就是創造新的詞彙和文法。

在邏輯中,我們同樣可以創造新的結構和書寫公式的方式,只要 1) 它是一致的,且 2) 我們把表示法解釋清楚。事實上,這是被鼓勵的。例如,寫出「1 到 10 的整數集合」的一般方式就很佔空間:

{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}

如果我想更簡潔一點,可以想出一個縮寫:

{1, 2, 3, ... 100}

如果我想比那還要更簡潔,可以定義新的語法:

1..=100 = {1, 2, 3, ... 100}
1..<100 = {1, 2, 3, ... 99}

這並非完全沒有歧義:那 10..=9 是什麼?我會把它定義為空集合:如果 a > b,那麼 a..=b 就是空集合。同樣地,只要 a >= ba..<b 就是空集合。

請用 all 量詞重寫那條規則(如果 a > b,則 a..=b 為空集合)。假設 ab 都是整數集合中的元素。

解答
all a, b in Int: a > b => (a..=b == {})

請用集合過濾表示法寫出 1..=100。在集合 Int 上做過濾。

解答
{x in Int: 1 <= x && x <= 100}

請寫出 IsDivisibleBy(num, divisor),它在 num 能被 divisor 整除時為真。請使用 some..=

解答
IsDivisibleBy(num, divisor) =
  some x in 1..=num:
    x*divisor == num

我覺得非常有用的另一種表示法是合取清單。複雜的系統往往有複雜的需求:

Rules = A && B && (C || D) && (E || (F && G))

這樣很難讀!為了讓它更容易閱讀,我們改成這樣寫:11

Rules =
  1. A
  2. B

  3. || C
     || D

  4. || E
     || a. F
        b. G

4.a. 這樣的編號永遠代表 AND。如果我想要一個 OR 的清單,我永遠會使用 ||

總結

  • 謂詞是一種可以定義在任何輸入上的布林函式。
  • 集合是無序且元素不重複的值的蒐集。集合可以包含任何型別的值,除了謂詞。
  • 量化表達式是針對集合中每一個(或某一個)元素進行檢查的表達式。
  • 數學表示法是很有彈性的。只要清楚且一致,我們就可以創造新的表示法、運算子和文法。
  • 邏輯公式可以被重寫和化簡。

以下是我們學到的所有符號和語法:

  • 謂詞一律寫成 TitleCase(x)。函式一律是小寫且為 snake_case(x)
  • AND、OR、NOT:&&||!
  • 蘊含:=>
  • 集合聯集、交集、差集:|&-
  • 集合映射與過濾:{x^2 for x in set: x > 2}
  • 量詞:all xsome x
  • 各種語法糖。

就是這樣!這就是形式邏輯的全部基礎。考慮到內容,其實並沒有很多,對吧。

困難的,當然在於應用。知道除法是一回事,但要意識到「把用了 5 顆蛋的食譜等比例縮小到只用 3 顆蛋」是一個除法問題,就是另一回事了。本書的其餘部分就是要探討邏輯在哪些軟體情境中有用,以及如何它變得有用。讓我們用邏輯來理解世界吧。

延伸閱讀

受限於篇幅,本章只是對數理邏輯基礎非常概略的介紹。更完整、更全面的論述包括(依複雜度由低到高)Robert S. Wolf 的 A tour through mathematical logic、Michael Huth 與 Mark Ryan 的 Logic in Computer Science,以及 Richard Epstein 的 Classical Mathematical Logic

我們所涵蓋的邏輯被稱為一階邏輯,因為謂詞不能作為集合中的值,也不能被傳入其他謂詞。更高階的邏輯擁有更多能力,但保證更少;更多資訊請見附錄〈Beyond Logic〉。沒有謂詞和量詞、只有布林值、AND、OR 和 NOT 的邏輯則被稱為命題邏輯

someall 的正式名稱分別是存在量詞和全稱量詞。數學家使用符號 ∃ 和 ∀。量化表達式有幾種不同的語法變體;更多內容請見附錄〈Math Notation〉。

能力與保證取捨中的「能力」有時也被稱為「表達能力」,例如 最小表達能力原則(選擇能解決問題的「表達能力最弱」的程式語言)。我也看過「保證」被稱為「表達能力」。由於「表達能力—表達能力取捨」這種說法很不清楚,我們在這本書中會避免使用「表達能力」這個詞。

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  1. 先把期望說在前面:這本書是基於一階古典邏輯,因為這樣就足以支撐幾百頁的應用內容。書中沒有建構式邏輯、沒有 lambda 演算、沒有 Curry-Howard 等等。目標讀者是完全不懂任何數學的人。 [返回]
  2. 我在這本書中做的一個非常重要的設計決定是「書中使用的所有數學都必須能在標準美式鍵盤上輸入」。大多數「正式」的數學符號是設計來手寫的,這讓它們在電腦上更難使用! [返回]
  3. 這篇部落格文章在表格中使用 OR 而不是 ||,是因為 || 會破壞 Markdown 表格的格式。 [返回]
  4. 未顯示:這本書有大量的索引和交互參照;這裡以及所有其他「這在 XYZ 中會很有用」的註解都有對應其他章節的頁碼。 [返回]
  5. 我最初是在電子報 Some tests are stronger than others 中探討這個想法的;書中第 4 章用它來引出屬性測試(property testing)。 [返回]
  6. 好吧,呃,在審閱這篇文章時我才發現我寫錯了,有序對真正的數學慣例其實是 {{a}, {a, b}}。如果這毀了整本書,還請見諒。 至少它現在已經在勘誤表中了[返回]
  7. 書中使用以 0 為起始的索引來表示串列(除非討論的語言另有規定),並且自然數從 0 開始。不同數學分支有不同的慣例,我只是沿用了大多數程式設計師習慣的寫法。 [返回]
  8. 這本書沒有涵蓋的一件事是型別理論。這有幾個原因,主要是我找不到在簡潔性、實用性與「真的在用邏輯」之間的恰當平衡。書中有涵蓋一些基本概念,例如 讓不合法的狀態無法被表示和 Liskov 子型別。 [返回]
  9. 我在製作這張圖時學到的一個極其詭異的事實:SVG 標準將一個「點」定義為 1 / 72 英吋,而 TeX 則將一個「點」定義為 1 / 72.27 英吋。 我在這裡寫了更多關於這段歷史的內容[返回]
  10. 光是想出這個該死的名字就花了我好久。我以前都叫它能力—可處理性取捨,但這本書本來就已經夠自命不凡了。感謝 Chelsea Troy 終於想出了一個可行的名稱。 [返回]
  11. 這是這本書裡最棒的點子。我超愛合取清單。 [返回]

本文章由 muse-spark-1.2-contributor 進行翻譯

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