En lógica , una regla de inferencia es admisible en un sistema formal si el conjunto de teoremas del sistema no cambia cuando esa regla se añade a las reglas existentes del sistema. En otras palabras, toda fórmula que se pueda derivar utilizando esa regla ya es derivable sin ella, por lo que, en cierto sentido, es redundante. El concepto de regla admisible fue introducido por Paul Lorenzen (1955).
La admisibilidad ha sido estudiada sistemáticamente sólo en el caso de reglas estructurales (es decir, cerradas a la sustitución ) en lógicas proposicionales no clásicas , que describiremos a continuación.
Sea fijo un conjunto de conectivos proposicionales básicos (por ejemplo, en el caso de lógicas superintuicionistas o en el caso de lógicas monomodales ). Se construyen fórmulas bien formadas libremente usando estos conectivos a partir de un conjunto infinito numerable de variables proposicionales p 0 , p 1 , .... Una sustitución σ es una función de fórmulas a fórmulas que conmuta con aplicaciones de los conectivos, es decir,
para cada conectivo f , y fórmulas A 1 , ... , A n . (También podemos aplicar sustituciones a conjuntos Γ de fórmulas, haciendo σ Γ = { σA : A ∈ Γ}. ) Una relación de consecuencia de estilo Tarski [1] es una relación entre conjuntos de fórmulas, y fórmulas, tales que
para todas las fórmulas A , B y conjuntos de fórmulas Γ, Δ. Una relación de consecuencia tal que
Para todas las sustituciones, σ se denomina estructural . (Tenga en cuenta que el término "estructural" tal como se utiliza aquí y a continuación no está relacionado con la noción de reglas estructurales en los cálculos consecuentes ). Una relación de consecuencia estructural se denomina lógica proposicional . Una fórmula A es un teorema de una lógica si .
Por ejemplo, identificamos una lógica superintuicionista L con su relación de consecuencia estándar generada por modus ponens y axiomas, e identificamos una lógica modal normal con su relación de consecuencia global generada por modus ponens, necesidad y (como axiomas) los teoremas de la lógica.
Una regla de inferencia estructural [2] (o simplemente regla para abreviar) está dada por un par (Γ, B ), generalmente escrito como
donde Γ = { A 1 , ... , A n } es un conjunto finito de fórmulas y B es una fórmula. Una instancia de la regla es
para una sustitución σ . La regla Γ/ B es derivable en , si . Es admisible si para cada instancia de la regla, σB es un teorema siempre que todas las fórmulas de σ Γ sean teoremas. [3] En otras palabras, una regla es admisible si, cuando se agrega a la lógica, no conduce a nuevos teoremas. [4] También escribimos si Γ/ B es admisible. (Obsérvese que es una relación de consecuencia estructural por sí misma).
Toda regla derivable es admisible, pero no viceversa en general. Una lógica es estructuralmente completa si toda regla admisible es derivable, es decir, . [5]
En lógicas con un conectivo de conjunción bien comportado (como las lógicas superintuicionistas o modales), una regla es equivalente a con respecto a la admisibilidad y derivabilidad. Por lo tanto, es habitual tratar solo con reglas unarias A / B .
La pregunta básica sobre las reglas admisibles de una lógica dada es si el conjunto de todas las reglas admisibles es decidible . Nótese que el problema no es trivial incluso si la lógica misma (es decir, su conjunto de teoremas) es decidible : la definición de admisibilidad de una regla A / B involucra un cuantificador universal ilimitado sobre todas las sustituciones proposicionales. Por lo tanto , a priori solo sabemos que la admisibilidad de la regla en una lógica decidible es (es decir, su complemento es recursivamente enumerable ). Por ejemplo, se sabe que la admisibilidad en las lógicas bimodales K u y K 4 u (las extensiones de K o K 4 con la modalidad universal) es indecidible. [11] Sorprendentemente, la decidibilidad de la admisibilidad en la lógica modal básica K es un importante problema abierto.
Sin embargo, se sabe que la admisibilidad de las reglas es decidible en muchas lógicas modales y superintuicionistas. Los primeros procedimientos de decisión para reglas admisibles en lógicas modales transitivas básicas fueron construidos por Rybakov, utilizando la forma reducida de reglas . [12] Una regla modal en las variables p 0 , ... , p k se llama reducida si tiene la forma
donde cada uno es un espacio en blanco o una negación . Para cada regla r , podemos construir efectivamente una regla reducida s (llamada la forma reducida de r ) tal que cualquier lógica admita (o derive) r si y solo si admite (o derive) s , introduciendo variables de extensión para todas las subfórmulas en A , y expresando el resultado en la forma normal disyuntiva completa . Por lo tanto, es suficiente construir un algoritmo de decisión para la admisibilidad de reglas reducidas.
Sea una regla reducida como la anterior. Identificamos cada conjunción con el conjunto de sus conjunciones. Para cualquier subconjunto W del conjunto de todas las conjunciones, definamos un modelo de Kripke mediante
A continuación se presenta un criterio algorítmico de admisibilidad en K 4: [13]
Teorema . La regla no es admisible en K 4 si y sólo si existe un conjunto tal que
Se pueden encontrar criterios similares para las lógicas S 4 , GL y Grz . [14] Además, la admisibilidad en lógica intuicionista se puede reducir a la admisibilidad en Grz utilizando la traducción de Gödel–McKinsey–Tarski : [15]
Rybakov (1997) desarrolló técnicas mucho más sofisticadas para mostrar la decidibilidad de la admisibilidad, que se aplican a una clase robusta (infinita) de lógicas transitivas (es decir, que extienden K 4 o IPC ) modales y superintuicionistas, incluyendo, por ejemplo, S 4.1, S 4.2 , S 4.3, KC , T k (así como las lógicas mencionadas anteriormente IPC , K 4, S 4, GL , Grz ). [16]
A pesar de ser decidible, el problema de admisibilidad tiene una complejidad computacional relativamente alta , incluso en lógicas simples: la admisibilidad de reglas en las lógicas transitivas básicas IPC , K 4, S 4, GL , Grz es coNEXP -completa. [17] Esto debe contrastarse con el problema de derivabilidad (para reglas o fórmulas) en estas lógicas, que es PSPACE -completo. [18]
La admisibilidad en lógicas proposicionales está estrechamente relacionada con la unificación en la teoría ecuacional de las álgebras modales o de Heyting . La conexión fue desarrollada por Ghilardi (1999, 2000). En la configuración lógica, un unificador de una fórmula A en el lenguaje de una lógica L (un L -unificador para abreviar) es una sustitución σ tal que σA es un teorema de L. (Usando esta noción, podemos reformular la admisibilidad de una regla A / B en L como "cada L -unificador de A es un L -unificador de B "). Un L -unificador σ es menos general que un L -unificador τ , escrito como σ ≤ τ , si existe una sustitución υ tal que
para cada variable p . Un conjunto completo de unificadores de una fórmula A es un conjunto S de L -unificadores de A tal que cada L -unificador de A es menos general que algún unificador de S . Un unificador más general (MGU) de A es un unificador σ tal que { σ } es un conjunto completo de unificadores de A . De ello se deduce que si S es un conjunto completo de unificadores de A , entonces una regla A / B es L -admisible si y solo si cada σ en S es un L -unificador de B . Por tanto, podemos caracterizar reglas admisibles si podemos encontrar conjuntos completos de unificadores que se comporten bien.
Una clase importante de fórmulas que tienen un unificador más general son las fórmulas proyectivas : son fórmulas A tales que existe un unificador σ de A tal que
para cada fórmula B . Nótese que σ es una MGU de A . En lógicas transitivas modales y superintuicionistas con la propiedad de modelo finito , se pueden caracterizar las fórmulas proyectivas semánticamente como aquellas cuyo conjunto de L -modelos finitos tiene la propiedad de extensión : [19] si M es un L -modelo de Kripke finito con una raíz r cuyo grupo es un singleton , y la fórmula A se cumple en todos los puntos de M excepto para r , entonces podemos cambiar la valoración de las variables en r de modo que A sea verdadera también en r . Además, la prueba proporciona una construcción explícita de una MGU para una fórmula proyectiva dada A .
En las lógicas transitivas básicas IPC , K 4 , S 4 , GL , Grz (y más generalmente en cualquier lógica transitiva con la propiedad de modelo finito cuyo conjunto de marco finito satisface otro tipo de propiedad de extensión), podemos construir efectivamente para cualquier fórmula A su aproximación proyectiva Π( A ): [20] un conjunto finito de fórmulas proyectivas tales que
De ello se deduce que el conjunto de MGU de elementos de Π( A ) es un conjunto completo de unificadores de A . Además, si P es una fórmula proyectiva, entonces
para cualquier fórmula B . De este modo obtenemos la siguiente caracterización efectiva de las reglas admisibles: [21]
Sea L una lógica. Un conjunto R de L -reglas admisibles se denomina base [22] de reglas admisibles, si cada regla admisible Γ/ B puede derivarse de R y de las reglas derivables de L , utilizando sustitución, composición y debilitamiento. En otras palabras, R es una base si y solo si es la relación de consecuencia estructural más pequeña que incluye y R .
Nótese que la decidibilidad de reglas admisibles de una lógica decidible es equivalente a la existencia de bases recursivas (o recursivamente enumerables ): por un lado, el conjunto de todas las reglas admisibles es una base recursiva si la admisibilidad es decidible. Por otro lado, el conjunto de reglas admisibles es siempre correcursivamente enumerable, y si además tenemos una base recursivamente enumerable, el conjunto de reglas admisibles también es recursivamente enumerable; por lo tanto, es decidible. (En otras palabras, podemos decidir la admisibilidad de A / B mediante el siguiente algoritmo : comenzamos en paralelo dos búsquedas exhaustivas , una para una sustitución σ que unifique A pero no B , y otra para una derivación de A / B a partir de R y . Una de las búsquedas tiene que llegar eventualmente a una respuesta). Aparte de la decidibilidad, las bases explícitas de reglas admisibles son útiles para algunas aplicaciones, por ejemplo, en la complejidad de la prueba . [23]
Para una lógica dada, podemos preguntarnos si tiene una base recursiva o finita de reglas admisibles, y proporcionar una base explícita. Si una lógica no tiene una base finita, puede tener, no obstante, una base independiente : una base R tal que ningún subconjunto propio de R sea una base.
En general, se puede decir muy poco sobre la existencia de bases con propiedades deseables. Por ejemplo, mientras que las lógicas tabulares se comportan generalmente bien y siempre son finitamente axiomatizables, existen lógicas modales tabulares sin una base finita o independiente de reglas. [24] Las bases finitas son relativamente raras: incluso las lógicas transitivas básicas IPC , K 4 , S 4 , GL , Grz no tienen una base finita de reglas admisibles, [25] aunque tienen bases independientes. [26]
Una regla Γ/ B es válida en un marco de Kripke modal o intuicionista , si lo siguiente es verdadero para cada valoración en F :
(La definición se puede generalizar fácilmente a marcos generales , si es necesario).
Sea X un subconjunto de W y t un punto en W. Decimos que t es
Decimos que un marco F tiene predecesores estrictos reflexivos (irreflexivos), si para cada subconjunto finito X de W , existe un predecesor estricto reflexivo (irreflexivo) de X en W.
Tenemos: [31]
Obsérvese que, salvo algunos casos triviales, los marcos con predecesores estrictos deben ser infinitos. Por lo tanto, las reglas admisibles en lógicas transitivas básicas no gozan de la propiedad de modelo finito.
Si bien una clasificación general de lógicas estructuralmente completas no es una tarea fácil, tenemos una buena comprensión de algunos casos especiales.
La lógica intuicionista en sí misma no es estructuralmente completa, pero sus fragmentos pueden comportarse de manera diferente. Es decir, cualquier regla libre de disyunción o regla libre de implicación admisible en una lógica superintuicionista es derivable. [32] Por otra parte, la regla de Mints
es admisible en la lógica intuicionista pero no derivable, y sólo contiene implicaciones y disyunciones.
Conocemos las lógicas transitivas estructuralmente máximas incompletas. Una lógica se denomina hereditariamente estructuralmente completa si alguna extensión es estructuralmente completa. Por ejemplo, la lógica clásica, así como las lógicas LC y Grz .3 mencionadas anteriormente, son hereditariamente estructuralmente completas. Citkin y Rybakov dieron una descripción completa de las lógicas modales superintuicionistas y transitivas estructuralmente completas respectivamente. Es decir, una lógica superintuicionista es hereditariamente estructuralmente completa si y solo si no es válida en ninguno de los cinco marcos de Kripke [9].
De manera similar, una extensión de K 4 es hereditariamente estructuralmente completa si y solo si no es válida en ninguno de ciertos veinte marcos de Kripke (incluidos los cinco marcos intuicionistas anteriores). [9]
Existen lógicas estructuralmente completas que no son hereditariamente estructuralmente completas: por ejemplo, la lógica de Medvedev es estructuralmente completa, [33] pero está incluida en la lógica estructuralmente incompleta KC .
Una regla con parámetros es una regla de la forma
cuyas variables se dividen en las variables "regulares" p i , y los parámetros s i . La regla es L -admisible si cada L -unificador σ de A tal que σs i = s i para cada i es también unificador de B . Los resultados básicos de decidibilidad para reglas admisibles también se aplican a reglas con parámetros. [34]
Una regla de conclusión múltiple es un par (Γ,Δ) de dos conjuntos finitos de fórmulas, escritos como
Una regla de este tipo es admisible si cada unificador de Γ es también unificador de alguna fórmula a partir de Δ. [35] Por ejemplo, una lógica L es consistente si admite la regla
y una lógica superintuicionista tiene la propiedad de disyunción si y solo si admite la regla
Nuevamente, los resultados básicos sobre reglas admisibles se generalizan sin problemas a reglas de conclusión múltiple. [36] En lógicas con una variante de la propiedad de disyunción, las reglas de conclusión múltiple tienen el mismo poder expresivo que las reglas de conclusión única: por ejemplo, en S 4 la regla anterior es equivalente a
Sin embargo, a menudo se pueden emplear reglas de conclusiones múltiples para simplificar los argumentos.
En la teoría de la demostración , la admisibilidad se considera a menudo en el contexto de los cálculos secuenciales , donde los objetos básicos son secuenciales en lugar de fórmulas. Por ejemplo, se puede reformular el teorema de eliminación de cortes diciendo que el cálculo secuencial sin cortes admite la regla de cortes
(Por abuso del lenguaje, a veces también se dice que el cálculo secuente (completo) admite cortes, es decir, su versión sin cortes sí lo hace.) Sin embargo, la admisibilidad en cálculos secuentes suele ser solo una variante notacional para la admisibilidad en la lógica correspondiente: cualquier cálculo completo para (por ejemplo) lógica intuicionista admite una regla secuente si y solo si IPC admite la regla de fórmula que obtenemos al traducir cada secuente a su fórmula característica .