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逻辑等价

Logical equivalence

两个公式在指定语义类的每个结构与赋值下具有相同真值。

条目类型
定义

形式陈述

命题公式的语义等价写作 φPropψ,当且仅当对每个真值赋值 v 都有 v(φ)=v(ψ)。一阶公式若自由变量包含在 x¯ 中,则逻辑有效意义下的等价为

x¯(φψ),

等价地,所有结构与变量赋值都给二者相同真值。相对于理论 T 的语义等价写作 Tx¯(φψ);相对于演算的可证明等价则写作 Tx¯(φψ)。二者只有在该演算对相应语义可靠且完备时才重合。

直觉

逻辑等价要求两个表达式在每个允许赋值或结构中真值相同,而不是仅在某个例子上碰巧同真或同假。它把语法不同但语义不可区分的公式归入同一类,可由双向蕴涵表达,并支持在更大公式中作保持真值的替换。

例子与边界

PQ¬PQ,且 ¬(PQ)¬P¬QPQQP 不等价;在某一行真值表上相同不足以证明逻辑等价。

利用材料蕴涵可验证

P(QR)(PQ)R.

左式化为 ¬P¬QR,右式也化为同一公式。逻辑等价要求所有赋值下真值一致;例如 PQ 与异或在多数赋值上相同,却在 P=Q= 时不同,因此不等价。等价替换保持真值,但不表示两个公式具有相同语法树或同样短的证明。

推论与应用

等价变换用于化简公式、逆否证明、逻辑电路和查询规范化。语法相同、可证明等价与语义等价是不同层次。只保持可满足性的 equisatisfiability 更弱:Tseitin 转换后的 CNF 可与原公式同可满足,却因引入新变量而不是同一语言中的逻辑等价替换。

真值表决定命题公式等价,合取范式析取范式则选择等价类中的规范代表。证明化简、数字电路优化和 SAT 预处理都依赖保持逻辑等价或至少保持可满足性。

参考资料
  • Daniel J. Velleman, How to Prove It: A Structured Approach, 3rd ed., Cambridge University Press, 2019, Logic chapters。
  • Herbert B. Enderton, A Mathematical Introduction to Logic, 2nd ed., Academic Press, 2001, Chapter 1。
关系图谱17 个相邻概念 · 1 类关系

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