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归结反驳

Resolution refutation · Propositional resolution

从 CNF 初始子句反复归结并导出空子句的命题反驳系统。

条目类型
定义

形式陈述 ​

把子句视为文字集合。给定合取范式 F=C1∧⋯∧Cm,归结规则从含相反文字的一对子句

C∨x,D∨¬x

推出 resolvent C∨D;集合口径会删去重复文字,若结果同时含 u,¬u,则它是永真子句,可直接丢弃。归结反驳是一列子句,每行要么是 F 的初始子句,要么由较早两行用一次归结得到,末行为空子句 ⊥。空子句在每个赋值下为假,所以它见证 F 不可满足。

规则可靠,因为任何同时满足两个前提子句的赋值,无论令 x 为真还是假,都必须满足 C∨D。归结对不可满足 CNF 也完备:若 F 无满足赋值,总能通过有限归结导出空子句。固定行编码、父行编号和 pivot 后,每步可在多项式时间检查;把 F 的反驳编码成 ¬F 的证明,得到针对 CNF 否定式的证明系统。要成为覆盖全部 TAUT 的Cook–Reckhow 系统,还须固定任意 φ 到 E(¬φ) 的等可满足 CNF 编码,接受的证书是这个 CNF 的归结反驳,输出则是原公式 φ。否则只证明一种语法的永真式,尚未满足全部 TAUT 的满射要求。

直觉

一条归结推理消去一个二择变量。第一前提说“若 x 为假,就必须靠 C”;第二前提说“若 x 为真,就必须靠 D”。不论怎样选择 x,剩余赋值都要让 C 或 D 成立,所以可以把 x 从结论中消去。反驳不断压缩所有可能分支,直到得到没有任何文字可挽救的空子句。

这种局部性既是力量也是限制。验证者只需比较两行和一个 pivot,归结因而非常适合 SAT 求解器的冲突证书;但每行只能表达一个析取子句,无法像一般 Frege 证明那样把任意嵌套公式作为中间引理。证明复杂度下界正是量化:一个不可满足公式虽没有模型,要让这种单一行语言暴露矛盾,可能需要多少子句、多少宽度或多少次重复推导。

例子与边界

考虑

F=(x∨y)∧(¬x∨y)∧(x∨¬y)∧(¬x∨¬y).

前两项以 x 为 pivot 归结得单位子句 y;后两项归结得 ¬y;再以 y 归结得到空子句:

x∨y¬x∨yy,x∨¬y¬x∨¬y¬y,y¬y⊥.
归结 DAG 导出空子句

这是三次推理、最大子句宽度为 2 的可手检反驳。它也说明方向:归结证明的输入是不可满足 CNF,输出不是某个“假赋值”,而是从所有子句推出矛盾。相应的永真式是 ¬F;把 F 自身误称为被证明的永真式会倒置语义。

完备性可按变量消元理解:选变量 x,保留不含 x 的子句,把所有含 x 的子句与含 ¬x 的子句两两归结,再删去含 x 的原子句。对剩余变量的每个赋值,所得公式恰好判断原公式能否通过选择 x 扩展为满足赋值。若扩展的 x=0 和 x=1 都失败,就有一对前提的其余文字同时为假,其归结式也为假;反之,归结式全真便不会同时出现两种冲突要求。逐变量消元后,不可满足性只能表现为空子句。这个过程可能产生指数多子句,所以完备性没有给出短反驳。

归结完备性依赖先把公式放进 CNF。Tseitin 编码引入辅助变量后通常只保持等可满足性,而非原变量上逐赋值同值;证明长度比较必须把编码规模计入。不同定义可能允许 weakening、删去永真子句或把同一子句重复登记,这些约定通常可多项式互译,却会改变精确的行数。对子句数的下界若不声明计数节点、推理步还是总文字数,也没有可复核含义。

推论与应用

树形归结禁止共享已导出子句,DAG 形归结允许一个引理被多次引用;二者使用同一局部规则,却有不同的全局资源。归结宽度记录反驳中最宽的子句,规模—宽度权衡把某些宽度下界转成长度下界。这些指标共同解释为什么“规则只有一行”仍能产生精细的复杂度层次。

现代 CDCL SAT 求解器的冲突分析和 clause learning 可输出归结式证书;带 restart 的理想化 CDCL 与一般归结之间存在多项式模拟结果,但具体结论依赖学习方案、分支规则与是否允许擦除。工程求解速度也不等于短归结证明:预处理、扩展变量、异或推理或专用理论传播可能已经越出纯归结模型,认证时必须把这些步骤展开或交给更强的证书格式。

参考资料
  • John Alan Robinson, “A Machine-Oriented Logic Based on the Resolution Principle,” Journal of the ACM 12(1), 1965, pp. 23–41, resolution rule and completeness.
  • Armin Haken, “The Intractability of Resolution,” Theoretical Computer Science 39, 1985, pp. 297–308.
  • Jan Krajíček, Proof Complexity, Cambridge University Press, 2019, Chapter 4, resolution.
关系图谱13 个相邻概念 · 3 类关系

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