NM理論中積分真度的統(tǒng)一理論

王波, 惠小靜, 魯星

(延安大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 陜西 延安 716000)

數(shù)理邏輯的特點(diǎn)在于形式化而不是數(shù)值計(jì)算,為了反映程度化的思想,20世紀(jì)50年代初,Rosser教授利用“指派真值”來刻畫邏輯公式和反映邏輯推理的真實(shí)程度[1],這種思想在Pavelka的系列文章[2]中得到了全面發(fā)展。后來有許多學(xué)者從不同角度提出了邏輯公式的程度化思想。

21世紀(jì)初,王國俊教授在經(jīng)典二值命題邏輯中引入了命題的真度概念[3],提出了計(jì)量邏輯學(xué)理論,建立了一套近似推理模式之后,國內(nèi)外學(xué)者展開了廣泛的研究,得到了一些重要結(jié)果[4-6]。但是以上所有結(jié)果都建立在均勻概率測度空間上。為此,文獻(xiàn)[7]利用賦值空間上的Borel概率測度在二值命題中引入了公式的概率真度概念。文獻(xiàn)[8]在ukasiewicz模糊邏輯系統(tǒng)uk、G?del模糊邏輯系統(tǒng)G?d、Product模糊邏輯系統(tǒng)Π和R0模糊邏輯系統(tǒng)這4種模糊命題邏輯系統(tǒng)中提出了公式的積分真度概念。文獻(xiàn)[9]在一類命題邏輯系統(tǒng)中借助文獻(xiàn)[7]的思想提出了利用積分定義公式真度的統(tǒng)一方法。文獻(xiàn)[10-11]在SMTL命題邏輯系統(tǒng)中提出了公式的積分真度理論。

本文將文獻(xiàn)[8]的思想和方法應(yīng)用于NM命題邏輯系統(tǒng)中建立了公式積分真度的統(tǒng)一理論。首先,驗(yàn)證了積分真度MP規(guī)則、HS規(guī)則;其次,引入了積分相似度和積分偽距離;最后,引進(jìn)了隸屬函數(shù)和相容度的概念。值得注意的是,首先,文獻(xiàn)[8]的結(jié)果可納入到本文更廣泛的統(tǒng)一框架下;其次,在NM系統(tǒng)中,文獻(xiàn)[9]關(guān)于建立積分真度和相似度提出的假設(shè)條件全部成立;最后,本文的結(jié)果是對文獻(xiàn)[10-11]的進(jìn)一步推廣,更加豐富了左連續(xù)三角模的模糊邏輯系統(tǒng)計(jì)量化研究。

1 預(yù)備知識

假設(shè)S={p1,p2,…}是可數(shù)集,ψ是S生成的自由代數(shù),其中分別為,∨,→一元算子和二元算子。不同的蘊(yùn)含算子和賦值格決定了不同的邏輯系統(tǒng),下面介紹冪零極小邏輯NM的蘊(yùn)含算子和相應(yīng)的t-范數(shù)定義[12]

注1把標(biāo)準(zhǔn)的NM代數(shù)稱為[0,1]中的NM代數(shù),通常取n(x)=1-x。

定義[0,1]上的二元算子&和→如下

x&y=x?ny,x→y=RNM(x,y)

(3)

注2從ψ到R區(qū)間[0,1]的(,∨,→)型同態(tài)v:ψ→[0,1]稱為ψ的R-賦值。

定義1冪零極小邏輯NM系統(tǒng)由以下12個公理模式和推理規(guī)則MP組成[13]

MP規(guī)則 由A,A→B推出B。

定義2設(shè)A=A(p1,…,pn)是ψ中含有n個原子公式p1,…,pn的公式,在A中把pi換成xi并保持,∨與→不變,但把它們理解為R單位區(qū)間上相應(yīng)的運(yùn)算,則得一n元函數(shù):稱是由公式A所誘導(dǎo)的函數(shù)[14]。

定義3自然數(shù)列u1,u2,…叫斐波那契數(shù)列,若u1=u2=1,且un+un+1=un+2(n=1,2,…)[13]。

定義4設(shè)?是[0,1]上的左連續(xù)三角模,在[0,1]上定義二元運(yùn)算→如下[15]

b→c=∨{x|x?b≤c}x,b,c∈[0,1]

則

1) →是?與相伴隨的蘊(yùn)含算子,即a?b≤c當(dāng)且僅當(dāng)a≤b→c。

2)b→c=1當(dāng)且僅當(dāng)b≤c。

3)a≤b→c當(dāng)且僅當(dāng)b≤a→c。

4)a→(b→c)=b→(a→c)。

5) 1→c=c。

7)b→c關(guān)于c單調(diào)遞增,關(guān)于b單調(diào)遞減。

2 NM理論中的積分真度

(4)

被稱為A的R-真度。

定理1設(shè)A∈ψ,則τNM(A)=1當(dāng)且僅當(dāng)A是RNM-幾乎重言式。

證明若A是RNM-幾乎重言式,則τNM(A)=1,反過來,設(shè)A=A(p1,…,pn)∈ψ且τNM(A)=1,則

命題1設(shè)A∈ψ,則τNM(A)=1-τNM(A)。

推論1設(shè)A∈ψ,則τNM(A)=0當(dāng)且僅當(dāng)A是RNM-幾乎矛盾式。

引理1設(shè)f(x,y)=RNM(x,y),則f(a,c)+1≥f(a,b)+f(b,c)。

證明設(shè)a≤c,則f(a,c)=1。

1) 設(shè)bb時(shí),f(a,b)=1-a,f(b,c)=1,所以

f(a,c)+1≥f(a,b)+f(b,c)

設(shè)b

f(a,c)+1≥f(a,b)+f(b,c)

2) 設(shè)a≤b≤c,類似1)的證明。

3) 設(shè)c

當(dāng)a>c時(shí),類似可證f(a,c)+1≥f(a,b)+f(b,c)成立。

綜上所述,設(shè)f(x,y)=RNM(x,y)時(shí),f(a,c)+1≥f(a,b)+f(b,c)成立。

定理2設(shè)→:[0,1]2→[0,1]是二元函數(shù),a,b,c∈[0,1],I為指標(biāo)集,則

c≥b+b→c-1

證明由引理1可得,RNM(a,c)+1≥RNM(a,b)+RNM(b,c),所以a→c+1≥a→b+b→c,令a=1,則1→c+1≥1→b+b→c,由定義4的第5)條得,c+1≥b+b→c,即c≥b+b→c-1。

定理3(積分MP規(guī)則)設(shè)A,B∈ψ,若τNM(A)≥α,τNM(A→B)≥β,則τNM(B)≥α+β-1。

推論2設(shè)A,B∈ψ,若τNM(A)=1,τNM(A→B)=1,則τNM(B)=1。

定理4(積分HS規(guī)則)設(shè)A,B,C∈ψ,若τNM(A→B)≥α,τNM(B→C)≥β,則τNM(A→C)≥α+β-1。

證明因?yàn)?B→C)→((A→B)→(A→C))是重言式[13],所以由定理1得,τNM((B→C)→((A→B)→(A→C)))=1。因?yàn)棣覰M(B→C)≥β,所以由定理3得,τNM((A→B)→(A→C))≥1+β-1=β,又因?yàn)棣覰M(A→B)≥α,所以再由定理3得,τNM(A→C)≥α+β-1。

推論3設(shè)A,B,C∈ψ,若τNM(A→B)=1,τNM(B→C)=1,則τNM(A→C)=1。

命題2假設(shè)In=p1∧…∧pn,Un=p1∨…∨pn,是S中不同的原子公式,那么

(5)

例1計(jì)算τNM(p→q)和τNM(p→p∨q)的值。

解Δ1={(x,y)|x≤y},

Δ2={(x,y)|1-x>y},

Δ3={(x,y)|1-x≤y},

3 NM理論中的積分相似度

定義8設(shè)A,B∈ψ,則稱

(6)

為A與B之間的R積分相似度。

命題3設(shè)A,B∈ψ,則

1)ξNM(A,A)=1。

3)ξNM(A,B)=ξNM(B,A)。

定理5設(shè)A,B∈ψ,則ξNM(A,B)=1,當(dāng)且僅當(dāng)A與B幾乎邏輯等價(jià)。

引理2設(shè)f(x,y)=RNM(x,y)∧RNM(y,x),則f(a,c)≥f(a,b)+f(b,c)-1。

證明

1) 設(shè)a≤c,并且1-c>a時(shí),f(a,c)=1-c;

2) 設(shè)a≤c,并且1-c≤a時(shí),f(a,c)=a。

先討論第1)種情況

①設(shè)bb時(shí),f(a,b)=1-a,f(b,c)=1-c,所以f(a,b)+f(b,c)=2-a-c,因此f(a,c)≥f(a,b)+f(b,c)-1。

設(shè)b

②設(shè)a≤b≤c,類似于①的證明。

③設(shè)c

④對于第2)種情況以及a>c時(shí),類似可證f(a,c)≥f(a,b)+f(b,c)-1成立。

綜上所述,設(shè)f(x,y)=RNM(x,y)∧RNM(y,x)時(shí),f(a,c)≥f(a,b)+f(b,c)-1成立。

定理6設(shè)A,B,C∈ψ,若ξNM(A,B)≥α,ξNM(B,C)≥β,則ξNM(A,C)≥α+β-1。

證明由引理2可得,

ξNM(A,B)+ξNM(B,C)-1≥α+β-1

4 NM理論中的積分偽距離

定義9設(shè)A,B∈ψ,規(guī)定

ρNM(A,B)=1-ξNM(A,B)

(7)

定理7ρNM:ψ×ψ→[0,1]是ψ上的積分偽距離。設(shè)A,B,C∈ψ,則

1)ρNM(A,A)=0。

2)ρNM(A,B)=ρNM(B,A)。

3)ξNM(A,C)≥ξNM(A,B)+ξNM(B,C)-1。

命題4設(shè)A,B∈ψ,當(dāng)A為定理時(shí),

ρNM(A,B)=1-τNM(B)

(8)

5 NM理論中的積分相容度

定義10設(shè)A∈ψ,Γ?ψ,從Γ到A的準(zhǔn)推理是一個有限序列A1,…,An,其中An=A,且對每個i≤n,Ai∈T∪Γ,或者有j,k

命題5設(shè)A∈ψ,Γ?ψ,A∈D(Γ(n)),如果對每個B∈Γ均有τNM(B)≥α,則

τNM(A)≥un(α-1)

(9)

式中,un是斐波那契數(shù)列的第n項(xiàng)。

證明證明過程類似文獻(xiàn)[14]中的證明,在此不再重復(fù)。

注3由(9)式可以看出,當(dāng)Γ中各公式的真度小于1時(shí),則隨著推演長度的增加,所得準(zhǔn)推論的真度將減小。

定義11設(shè)Γ?ψ,令D(Γ)={A∈ψ|(q)Γ

定義12假設(shè)A,B∈ψ,那么

div(Γ)=sup{ρNM(A,B)|A,B∈D(Γ)}

(10)

稱div(Γ)為理論Γ的發(fā)散度。當(dāng)div(Γ)=1時(shí)稱Γ為全發(fā)散理論。

定義13假設(shè)Σ是ψ中的非空子集,那么

d(Σ)=sup{ρNM(A,B)|A,B∈Σ}

(11)

被稱為Σ的直徑。

注41) 如果Σ是ψ包含一個定理的有限子集,那么

d(Σ)=1-τNM(A)(A是Σ中最小真度公式)

(12)

2)d(Γ(n+2))>d(Γ(n))(n越大,d(Γn)越大)

(13)

定理8設(shè)A,B是NM中的公式,Γ是NM中的理論,d(Γ(n))-d(Γ(b))=1(A∈D(Γ(n)),B∈D(Γ(b)),b是常數(shù),A的推演長度為n,B的推演長度為b)當(dāng)且僅當(dāng)A是矛盾式B是重言式。

證明假設(shè)d(Γ(n))-d(Γ(b))=1,根據(jù)(12)式及真度的取值范圍知,0≤d(Γ(b))≤1,0≤d(Γ(n))≤1。當(dāng)d(Γ(n))-d(Γ(b))=1時(shí),只有當(dāng)d(Γ(n))=1,d(Γ(b))=0時(shí)等式成立,所以τNM(A)=0,τNM(B)=1,即A是矛盾式B是重言式。

假設(shè)A是矛盾式B是重言式,所以τNM(A)=0,τNM(B)=1,由(12)式得,d(Γ(n))=1-τNM(A)=1,d(Γ(b))=1-τNM(B)=0,所以d(Γ(b))-d(Γ(n))=1。

定義14假設(shè)A,B是NM中的公式,Γ是NM中的理論,定義

(A∈d(Γ(n)),B∈d(Γ(b)))

(14)

并且

「d(Γ(n))-d(Γ(b))?=

(15)

稱i(Γ)為NM中理論Γ的極性指標(biāo)。

定義15假設(shè)Γ是NM中的理論,那么

(16)

稱ζ(Γ)為NM中理論Γ的相容度。(i(Γ)是由上述定義14給出)。

證明假設(shè)A1=p2,Ak=p1→Ak-1(k=2,3,…),p1,p2是不同的原子公式,并且(v(p1)=x1,v(p2)=x2),根據(jù)(2)～(3)式得

所以

因此

所以

定理10假設(shè)Γ是NM中的理論,那么

1)Γ是相容的當(dāng)且僅當(dāng)i(Γ)=1。

2)Γ是不相容的當(dāng)且僅當(dāng)i(Γ)=0。

證明假設(shè)Γ是不相容的,那么Γ├C(C是矛盾式),因此C∈d(Γn)∈D(Γ)。因?yàn)槊總€理論都包含定理,所以A∈d(Γb)∈D(Γ)(A是重言式)。因此得,d(Γ(n))-d(Γ(b))=1,所以i(Γ)=0。另一方面,假設(shè)i(Γ)=0顯然成立,因此(2)式成立,(1)式自然也成立。

定理11假設(shè)Γ是NM中的理論,那么

1) 如果i(Γ)=0,則div(Γ)=1,但反之不成立。

2) 如果div(Γ)<1,則i(Γ)=1,但反之不成立。

證明假設(shè)i(Γ)=0,根據(jù)定理10得,Γ是不相容的,根據(jù)(10)～(12)式知,div(Γ)=sup{pNM(A,B)}=1。另一方面,假設(shè)div(Γ)=1,即理論Γ是完全發(fā)散的,但不能推出Γ是不相容的,即i(Γ)=0,令Γ=S是由所有原子公式構(gòu)成的,見文獻(xiàn)[18],知Γ=S是完全發(fā)散并且是相容理論。根據(jù)定理10知,當(dāng)理論Γ是相容時(shí),i(Γ)=1,因此div(Γ)=1不能推出i(Γ)=0。因此(1)式成立,(2)式自然也成立。

定理12假設(shè)Γ是NM中的理論,那么

1)Γ是完全相容的,當(dāng)且僅當(dāng)ζ(Γ)=1。

2)Γ是不相容的,當(dāng)且僅當(dāng)ζ(Γ)=0。

證明

1) 假設(shè)Γ是完全相容的,顯然成立。假設(shè)ζ(Γ)=1,,如果Γ不是完全相容的,那么Γ就有2種情況,第一種情況是Γ是相容的,那么div(Γ)≠0,由定理10的第1)條知,i(Γ)=1,所以由(16)式知,ζ(Γ)<1,另一種情況類似可證明成立。

2) 假設(shè)Γ是不相容的,顯然成立。假設(shè)ζ(Γ)=0,則由(16)式和div(Γ)≤1知,i(Γ)≤0,因?yàn)閕(Γ)∈{0,1},因此i(Γ)=0,由定理10的第2)條知,Γ是不相容的,因此(2)式成立。

例2假設(shè)Γ是NM中的理論,現(xiàn)有理論Γ中的3個公式分別為A,B,C,它們的真度分別為τNM(A)=0.6,τNM(B)=1,τNM(C)=0.7,試比較理論Γ1={A,B}的相容度與理論Γ2={B,C}的相容度大小關(guān)系。

注5例2的結(jié)果驗(yàn)證了定義的相容度具有合理性。

6 結(jié) 論

本文在NM系統(tǒng)中首先引進(jìn)了積分真度的概念,驗(yàn)證了積分真度MP規(guī)則、HS規(guī)則,其次利用積分真度的概念引進(jìn)了積分相似度和積分偽距離的概念,并驗(yàn)證了它們之間的一些性質(zhì),最后引進(jìn)了極性指標(biāo)與相容度的概念,驗(yàn)證了完全相容理論的相容度為1,不相容理論的相容度為0。