形式陈述
设 M = ( W , R , V ) 是Kripke 模型 公理库 Kripke 模型 Kripke model · Relational modal model 在 Kripke 框架上为命题变量逐世界赋值而得到的模态语义模型。 ,Σ 是有限且对子公式封闭的模态公式集。在 W 上定义
x ≡ Σ y ⟺ ∀ A ∈ Σ ( M , x ⊩ A ⟺ M , y ⊩ A ) , 其中 ⊩ 是模态满足关系 公理库 模态满足关系 Modal satisfaction relation · Kripke semantics for modal logic 递归规定模态公式在 Kripke 模型某一世界何时为真的关系。 。过滤后的世界集为 W Σ = W / ≡ Σ ,世界 x 的等价类记为 [ x ] 。因为每个类由 Σ 中公式的真值向量决定,
| W Σ | ≤ 2 | Σ | . 对 p ∈ Σ 定义 V Σ ( p ) = { [ x ] : M , x ⊩ p } ;其他原子的赋值可以任取,因为过滤引理只承诺保持 Σ 中公式。商关系常夹在两条边界关系之间:
[ x ] R min [ y ] ⟺ ∃ x ′ ∈ [ x ] ∃ y ′ ∈ [ y ] ( x ′ R y ′ ) , [ x ] R max [ y ] ⟺ ∀ ◻ B ∈ Σ ( M , x ⊩ ◻ B ⇒ M , y ⊩ B ) . 子公式封闭保证 R max 不依赖代表元。任取满足
R min ⊆ R Σ ⊆ R max 的关系,得到过滤模型 M Σ = ( W Σ , R Σ , V Σ ) 。过滤引理断言:对每个 A ∈ Σ ,
M , x ⊩ A ⟺ M Σ , [ x ] ⊩ A . 直觉
过滤法只保留目标公式真正能够提出的问题。若两个世界对 Σ 中每个公式都给出相同答案,模态语言在这次任务里就无法区分它们,可以合并成一个状态。世界可能无限多,有限公式的真假档案却最多只有 2 | Σ | 种。
关系不能直接任意投影。R min 保证原模型中真实存在的边不会丢失见证,R max 保证新添的商边不会违反已经为真的方框义务。把商关系夹在两者之间,正好同时支持菱形的见证方向与方框的全称方向。
例子与边界
取无限模型 W = N ,只有边 n R ( n + 1 ) ,并令 p 恰在偶数世界为真。选
Σ = { p , ◻ p } . 偶数 2 k 满足 p 、不满足 □ p ;奇数 2 k + 1 不满足 p 、满足 □ p 。因此所有世界只分成偶类 E 与奇类 O 。最小商关系有 E R min O 与 O R min E ,过滤后的两世界环准确保留 Σ 中两条公式在每类的真值。无限链的具体位置消失了,奇偶交替这一层可观察行为仍在。
若 Σ 含 □ p 却不含其子公式 p ,两个对 □ p 看法相同、对 p 看法不同的世界可能被错误合并;随后商模型无法稳定定义后继对 p 的义务。对子公式封闭不是排版习惯,而是结构归纳能够落到下一层公式的必要条件。
过滤也不自动保留所有框架性质。R min 可能破坏传递性,R max 又可能加入过多边而破坏其他条件。证明 S4、S5 或某个公理化框架类具有有限模型性质时,必须选择并验证适合该类的过滤关系;K 的无约束框架不面临这项额外责任。
推论与应用
若公式 A 在某模型世界为真,取 Σ = Sub ( A ) ,过滤引理给出至多 2 | Σ | 个世界的有限模型仍使 A 为真。对反模型同理,这直接证明 K 的有限模型性质 公理库 有限模型性质 Finite model property · FMP 每个不可导公式都已有有限反模型、等价地逻辑由其有限语义结构决定的性质。 。
有限上界还给出朴素判定过程:枚举不超过该界的有点模型并检查 A 或 ¬ A 。这个过程远非最优,但把“存在有限见证”提升为可终止搜索需要一个可计算的界;只有抽象的有限模型性质而没有有效信息时,不能直接宣称得到算法。
过滤等价按一组公式的真值定义,模态互模拟 公理库 模态互模拟 Modal bisimulation · Kripke bisimulation 用原子一致与沿可达边的 forth、back 条件比较两个 Kripke 模型的模态行为。 则用原子、forth、back 的局部条件定义。二者都保留模态公式,却服务于不同任务:过滤主动压缩一个模型,互模拟比较两个模型的行为;过滤商映射也不必天然就是互模拟。
参考资料
Patrick Blackburn, Maarten de Rijke, and Yde Venema, Modal Logic , Cambridge University Press, 2001, Chapter 2, “Model Constructions,” filtration section。
Alexander Chagrov and Michael Zakharyaschev, Modal Logic , Oxford University Press, 1997, Chapter 5, canonical models and filtration。
Brian F. Chellas, Modal Logic: An Introduction , Cambridge University Press, 1980, §3.6, filtration。