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Heyting 代数

Heyting algebra · Pseudo-Boolean algebra

每个合取映射都有蕴涵右伴随的有界分配格,为直觉主义命题逻辑提供代数语义。

条目类型
定义

形式陈述

Heyting 代数是有界分配格

(H,,,0,1)

连同二元运算 ,使任意 a,b,cH 都满足伴随条件

c(ab)cab.

因此 ab 是所有满足 cabc 中最大者,称为 a 相对于 b 的相对伪补。定义

¬a=a0.

它是与 a 合取为 0 的最大元素,但通常不满足 a¬a=1。从伴随条件可推出 ab 当且仅当 ab=1,也可推出 对左参数反单调、对右参数单调。

直觉主义命题逻辑赋值时,把原子映到 H,并令 ,,, 分别解释为 0,,,。公式 A 在代数中有效,若每个赋值都给出 [[A]]=1。代数可靠性与完备性断言

IPLAA 在每个 Heyting 代数中有效.

完备性可用公式按 IPL 可证等价取商得到 Lindenbaum–Tarski 代数;若 A 不可导,其等价类不等于 1,自身就提供反赋值。

直觉

格序 ab 表示“证据 a 足以得到 b”。蕴涵 ab 收集能与 a 合用而推出 b 的最大证据条件。它不是先写好的一张经典真假表,而是由“与 a 合取”这一步的右伴随唯一决定。

经典布尔代数要求每个元素都有真正补元;Heyting 代数只要求最大的不相容部分。一个命题与其否定可以都未达到顶元,反映当前证据既没有建立命题,也没有排除它。序结构把这种未决保留下来,而不会强行添加第三个固定真值。

例子与边界

取三元链 H={0<a<1},交与并是最小值、最大值。在任意全序 Heyting 代数中,

xy={1,xy,y,x>y.

所以 ¬a=a0=0,继而 ¬¬a=00=1。于是

a¬a=a<1,¬¬aa=1a=a<1.

同一个元素同时反驳排中律和双重否定消去的普遍有效性。计算依赖伴随定义,不能通过给 a 随意命名为“未知”代替。

拓扑空间 X 的全体开集也构成 Heyting 代数:

UV=int((XU)V),¬U=int(XU).

X=RU=(0,1),则 ¬U=(,0)(1,),而 ¬¬U=(0,1)=U;换成开集 U=(0,1)(1,2),双重否定会填回缺失点而得到 (0,2)。这说明双重否定一般是正则化操作,不是恒等。

推论与应用

Heyting 代数是布尔代数的推广。若对每个 a 都有 a¬a=1,等价地 ¬¬a=a,则 Heyting 代数成为布尔代数;在这种额外条件下,其有效逻辑从 IPL 增强为经典命题逻辑。

Lindenbaum–Tarski 构造把证明论变成代数:可证蕴涵对应序,不同公式的可证等价类成为格元素。由此可以用同态、子代数和完备化研究中间逻辑;但某个有限 Heyting 代数给出的反值只反驳该公式的普遍有效性,不能自动证明整套逻辑具有有限模型性质。

开集代数还连接直觉主义 Kripke 语义与拓扑语义。前者按信息扩张解释强迫,后者按开集内部解释蕴涵;二者都让真理具有稳定性,却通过不同数学对象实现,不能把世界节点直接等同于开集元素。

参考资料
  • Helena Rasiowa and Roman Sikorski, The Mathematics of Metamathematics, 3rd ed., Polish Scientific Publishers, 1970, Chapter IV, Heyting algebras and intuitionistic logic。
  • A. S. Troelstra and Dirk van Dalen, Constructivism in Mathematics: An Introduction, Vol. I, North-Holland, 1988, Chapter 1, algebraic semantics。
  • Peter T. Johnstone, Stone Spaces, Cambridge University Press, 1982, Chapter II, Heyting algebras of opens。
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