logik für informatiker - kitformal.iti.kit.edu/~beckert/teaching/logik-ss06/01einfuehrung.pdf ·...

Vorlesung

Logik für Informatiker

1. Einführung

Bernhard Beckert

Universität Koblenz-Landau

Sommersemester 2006Logik für Informatiker, SS ’06 – p.1

Formale Logik

Ziel

Formalisierung und Automatisierung rationalen Denkens

Rational richtige Ableitung von neuem Wissen aus gegebenem

Rolle der Logik in der Informatik

Anwendung innerhalb der InformatikSpezifikation, Programmentwicklung, Programmverifikation

Werkzeug für Anwendungen außerhalb der InformatikKünstliche Intelligenz, Wissensrepräsentation

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.2

Formale Logik

Ziel

Formalisierung und Automatisierung rationalen Denkens

Rational richtige Ableitung von neuem Wissen aus gegebenem

Rolle der Logik in der Informatik

Anwendung innerhalb der InformatikSpezifikation, Programmentwicklung, Programmverifikation

Werkzeug für Anwendungen außerhalb der InformatikKünstliche Intelligenz, Wissensrepräsentation

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.2

Modellierung

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.3

Modellierung

?

?

Abstraktion

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.4

Modellierung: Adäquatheit des Modells

Adäquatheit

Wenn formulierbare Aussage wahr im Modell,dann entsprechende Aussage wahr in Wirklichkeit

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.5

Modellierung: Beispiel Aufzug

oben

mitte

unten

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.6

Modellierung: Beispiel Aufzug

Modellierung derstatischen

Eigenschaften

oben

mitte

unten

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.6

Modellierung: Beispiel Aufzug

Modellierung derstatischen

Eigenschaften

m

mitte

oben

unten

u

o

oben

mitte

unten

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.6

Modellierung: Strukturen

m m m m

mitte

oben

unten

u

mitte

oben

unten

u

o

mitte

oben

unten

u

o

mitte

oben

unten

u

oo

mm

mitte

oben

unten

u

o

m

mitte

oben

unten

u

o

m

mitte

oben

unten

u

o

mitte

oben

unten

u

o

Aussagen beziehen sich auf Strukturen

(Formale) Aussagen sind in jeder einzelnen Struktur zuwahr oder falsch auswertbar

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.7

Modellierung: Strukturen

mm

mitte

oben

unten

u

o

m

mitte

oben

unten

u

o

m

mitte

oben

unten

u

o

mitte

oben

unten

u

o

Aussagen beziehen sich auf Strukturen

(Formale) Aussagen sind in jeder einzelnen Struktur zuwahr oder falsch auswertbar

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.7

Modellierung: Strukturen

mm

mitte

oben

unten

u

o

m

mitte

oben

unten

u

o

m

mitte

oben

unten

u

o

mitte

oben

unten

u

o

Aussagen beziehen sich auf Strukturen

(Formale) Aussagen sind in jeder einzelnen Struktur zuwahr oder falsch auswertbar

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.7

Formale Logik

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.8

Formale Logik

I Syntax – Welche Formeln?

I Semantik – Wann ist eine Formel wahr(in einer Struktur)?

I Deduktionsmechanismus – Ableitung neuer wahrer Formeln

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.9

Formale Logik

I Syntax – Welche Formeln?

I Semantik – Wann ist eine Formel wahr(in einer Struktur)?

I Deduktionsmechanismus – Ableitung neuer wahrer Formeln

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.9

Formale Logik

I Syntax – Welche Formeln?

I Semantik – Wann ist eine Formel wahr(in einer Struktur)?

I Deduktionsmechanismus – Ableitung neuer wahrer Formeln

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.9

Aussagenlogik: Syntax

Atomare Aussagen

Aufzug ist oben

aufzugOben

Innen mittlerer Knopf gedrückt

innenMitteGedruckt

Verknüpft mit logischen Operatoren

und

∧

oder

∨

impliziert

→

nicht

¬

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.10

Aussagenlogik: Syntax

Atomare Aussagen

Aufzug ist oben

aufzugOben

Innen mittlerer Knopf gedrückt

innenMitteGedruckt

Verknüpft mit logischen Operatoren

und

∧

oder

∨

impliziert

→

nicht

¬

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.10

Aussagenlogik: Syntax

Komplexe Aussagen

Wenn innen mittlerer Knopf gedrückt

innenMitteGedruckt

, dann

→

Aufzug nicht in der Mitte

¬aufzugMitte

Der Aufzug ist oben

aufzugOben

und

∧

der Aufzug ist nicht unten

¬aufzugUnten

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.11

Aussagenlogik: Syntax

Komplexe Aussagen

Wenn innen mittlerer Knopf gedrückt

innenMitteGedruckt

, dann

→

Aufzug nicht in der Mitte

¬aufzugMitte

Der Aufzug ist oben

aufzugOben

und

∧

der Aufzug ist nicht unten

¬aufzugUnten

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.11

Aussagenlogik: Semantik

Der Aufzug ist oben

aufzugOben

und

∧

der Aufzug ist nicht unten

¬aufzugUnten

ist wahr in

m

mitte

oben

unten

u

o

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.12

Aussagenlogik: Deduktionsmechanismus

Syllogismen

P → ¬QQ

¬P

aufzugOben → ¬aufzugUnten

aufzugUnten

¬aufzugOben

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.13

Aussagenlogik: Deduktionsmechanismus

Syllogismen

P → ¬QQ

¬P

aufzugOben → ¬aufzugUnten

aufzugUnten

¬aufzugOben

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.13

Deduktionsmechanismus

Deduktionsmechanismus im allgemeinen

Kalkül

In dieser Vorlesung

• Wahrheitstafeln

• Logische Umformung

• Resolutionskalkül

• Tableaukalkül

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.14

Deduktionsmechanismus

Deduktionsmechanismus im allgemeinen

Kalkül

In dieser Vorlesung

• Wahrheitstafeln

• Logische Umformung

• Resolutionskalkül

• Tableaukalkül

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.14

The Whole Picture

Diskurs in natürlicher SpracheMathematische ProblemeProgramm + Spezifikation

Syntax

AussagenlogikPrädikatenlogik

GültigeFormeln

BeweisbareFormeln

Formalisierung

Semantik

Ableitung

Kalkül

Vollständigkeit

KorrektheitLogik für Informatiker, SS ’06 – p.15

The Whole Picture

Diskurs in natürlicher SpracheMathematische ProblemeProgramm + Spezifikation

Syntax

AussagenlogikPrädikatenlogik

GültigeFormeln

BeweisbareFormeln

Formalisierung

Semantik

Ableitung

Kalkül

Vollständigkeit

Korrektheit

Modellierung

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.16

The Whole Picture

Diskurs in natürlicher SpracheMathematische ProblemeProgramm + Spezifikation

Syntax

AussagenlogikPrädikatenlogik

GültigeFormeln

BeweisbareFormeln

Formalisierung

Semantik

Ableitung

Kalkül

Vollständigkeit

Korrektheit

Deduktion

(automatische)

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.17

Inhalt der Vorlesung

1. Einführung

2. Aussagenlogik

Syntax und Semantik

Resolution, Vollständigkeits- und Korrektheitsbeweise

Analytische Tableaus

3. Prädikatenlogik

Syntax und Semantik

Resolution, Vollständigkeits- und Korrektheitsbeweise

Analytische Tableaus

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.18

Inhalt der Vorlesung

1. Einführung

2. Aussagenlogik

Syntax und Semantik

Resolution, Vollständigkeits- und Korrektheitsbeweise

Analytische Tableaus

3. Prädikatenlogik

Syntax und Semantik

Resolution, Vollständigkeits- und Korrektheitsbeweise

Analytische Tableaus

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.18

Inhalt der Vorlesung

1. Einführung

2. Aussagenlogik

Syntax und Semantik

Resolution, Vollständigkeits- und Korrektheitsbeweise

Analytische Tableaus

3. Prädikatenlogik

Syntax und Semantik

Resolution, Vollständigkeits- und Korrektheitsbeweise

Analytische Tableaus

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.18

Das 8-Damen Problem

Man plaziere acht Damen so auf einem Schachbrett,dass sie sich gegenseitig nicht bedrohen.

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.19

Das 8-Damen Problem

Man plaziere acht Damen so auf einem Schachbrett,dass sie sich gegenseitig nicht bedrohen.

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.19

Das 8-Damen Problem

Aussagenlogische Beschreibung des Problems

Für jedes Feld des Schachbretts eine aussagenlogische Variable

Di, j

Mit der Vorstellung, dass Di, j den Wert wahr hat,wenn auf dem Feld (i, j) eine Dame steht.

Wir benutzen kartesische Koordinaten zur Notation von Positionen.

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.20

Das 8-Damen Problem

Aussagenlogische Beschreibung des Problems

Für jedes Feld des Schachbretts eine aussagenlogische Variable

Di, j

Mit der Vorstellung, dass Di, j den Wert wahr hat,wenn auf dem Feld (i, j) eine Dame steht.

Wir benutzen kartesische Koordinaten zur Notation von Positionen.

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.20

Das 8-Damen Problem

Beispiel: Auf dem Feld (5, 7) steht eine Dame

Einschränkungen pro Feld

FE5,7 ≡

D5,7 → ¬D5,8 ∧ ¬D5,6 ∧ ¬D5,5 ∧ ¬D5,4 ∧ ¬D5,3 ∧ ¬D5,2 ∧ ¬D5,1

D5,7 → ¬D4,7 ∧ ¬D3,7 ∧ ¬D2,7 ∧ ¬D1,7 ∧ ¬D6,7 ∧ ¬D7,7 ∧ ¬D8,7

D5,7 → ¬D6,8 ∧ ¬D4,6 ∧ ¬D3,5 ∧ ¬D2,4 ∧ ¬D1,3

D5,7 → ¬D4,8 ∧ ¬D6,6 ∧ ¬D7,5 ∧ ¬D8,4

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.21

Das 8-Damen Problem

Beispiel: Auf dem Feld (5, 7) steht eine Dame

Einschränkungen pro Feld

FE5,7 ≡

D5,7 → ¬D5,8 ∧ ¬D5,6 ∧ ¬D5,5 ∧ ¬D5,4 ∧ ¬D5,3 ∧ ¬D5,2 ∧ ¬D5,1

D5,7 → ¬D4,7 ∧ ¬D3,7 ∧ ¬D2,7 ∧ ¬D1,7 ∧ ¬D6,7 ∧ ¬D7,7 ∧ ¬D8,7

D5,7 → ¬D6,8 ∧ ¬D4,6 ∧ ¬D3,5 ∧ ¬D2,4 ∧ ¬D1,3

D5,7 → ¬D4,8 ∧ ¬D6,6 ∧ ¬D7,5 ∧ ¬D8,4

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.21

Das 8-Damen Problem

Globale Einschränkungen

Für jedes k mit 1 ≤ k ≤ 8:

D1,k ∨ D2,k ∨ D3,k ∨ D4,k ∨ D5,k ∨ D6,k ∨ D7,k ∨ D8,k

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.22

Das 8-Damen Problem

Eine aussagenlogische Struktur beschreibt eine Lösung des Acht-

Damen-Problems genau dann, wenn sie ein Modell der Formeln

Fi, j für alle 1 ≤ i, j ≤ 8

Rk für alle 1 ≤ k ≤ 8

ist

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.23

Einführung: Zusammenfassung

• Ziel und Rolle der Formalen Logik in der Informatik

• Modellierung, Adäquatheit der Modellierung

• Wesentliche Komponenten für jede Logik:Syntax, Semantik, Deduktionsmeachanismus (Kalkül)

• Beispiel Aussagenlogik: Syntax, Sematik, Syllogismen

• The Whole Picture:

• Formel in der “wahren Welt” / (semantisch) gültige Formel,gültige Formel / ableitbare Formel

• Vollständigkeit und Korrektheit von Kalkülen

• Beispiel für (nicht-triviale) aussagelogische Modellierung:Acht-Damen-Problem

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.31

Einführung: Zusammenfassung

• Ziel und Rolle der Formalen Logik in der Informatik

• Modellierung, Adäquatheit der Modellierung

• Wesentliche Komponenten für jede Logik:Syntax, Semantik, Deduktionsmeachanismus (Kalkül)

• Beispiel Aussagenlogik: Syntax, Sematik, Syllogismen

• The Whole Picture:

• Formel in der “wahren Welt” / (semantisch) gültige Formel,gültige Formel / ableitbare Formel

• Vollständigkeit und Korrektheit von Kalkülen

• Beispiel für (nicht-triviale) aussagelogische Modellierung:Acht-Damen-Problem

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.31

Einführung: Zusammenfassung

• Ziel und Rolle der Formalen Logik in der Informatik

• Modellierung, Adäquatheit der Modellierung

• Wesentliche Komponenten für jede Logik:Syntax, Semantik, Deduktionsmeachanismus (Kalkül)

• Beispiel Aussagenlogik: Syntax, Sematik, Syllogismen

• The Whole Picture:

• Formel in der “wahren Welt” / (semantisch) gültige Formel,gültige Formel / ableitbare Formel

• Vollständigkeit und Korrektheit von Kalkülen

• Beispiel für (nicht-triviale) aussagelogische Modellierung:Acht-Damen-Problem

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.31

Einführung: Zusammenfassung

• Ziel und Rolle der Formalen Logik in der Informatik

• Modellierung, Adäquatheit der Modellierung

• Wesentliche Komponenten für jede Logik:Syntax, Semantik, Deduktionsmeachanismus (Kalkül)

• Beispiel Aussagenlogik: Syntax, Sematik, Syllogismen

• The Whole Picture:

• Formel in der “wahren Welt” / (semantisch) gültige Formel,gültige Formel / ableitbare Formel

• Vollständigkeit und Korrektheit von Kalkülen

• Beispiel für (nicht-triviale) aussagelogische Modellierung:Acht-Damen-Problem

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.31

Einführung: Zusammenfassung

• Ziel und Rolle der Formalen Logik in der Informatik

• Modellierung, Adäquatheit der Modellierung

• Wesentliche Komponenten für jede Logik:Syntax, Semantik, Deduktionsmeachanismus (Kalkül)

• Beispiel Aussagenlogik: Syntax, Sematik, Syllogismen

• The Whole Picture:

• Formel in der “wahren Welt” / (semantisch) gültige Formel,gültige Formel / ableitbare Formel

• Vollständigkeit und Korrektheit von Kalkülen

• Beispiel für (nicht-triviale) aussagelogische Modellierung:Acht-Damen-Problem

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.31

Einführung: Zusammenfassung

• Ziel und Rolle der Formalen Logik in der Informatik

• Modellierung, Adäquatheit der Modellierung

• Wesentliche Komponenten für jede Logik:Syntax, Semantik, Deduktionsmeachanismus (Kalkül)

• Beispiel Aussagenlogik: Syntax, Sematik, Syllogismen

• The Whole Picture:

• Formel in der “wahren Welt” / (semantisch) gültige Formel,gültige Formel / ableitbare Formel

• Vollständigkeit und Korrektheit von Kalkülen

• Beispiel für (nicht-triviale) aussagelogische Modellierung:Acht-Damen-Problem

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.31

Einführung: Zusammenfassung

• Ziel und Rolle der Formalen Logik in der Informatik

• Modellierung, Adäquatheit der Modellierung

• Wesentliche Komponenten für jede Logik:Syntax, Semantik, Deduktionsmeachanismus (Kalkül)

• Beispiel Aussagenlogik: Syntax, Sematik, Syllogismen

• The Whole Picture:

• Formel in der “wahren Welt” / (semantisch) gültige Formel,gültige Formel / ableitbare Formel

• Vollständigkeit und Korrektheit von Kalkülen

• Beispiel für (nicht-triviale) aussagelogische Modellierung:Acht-Damen-Problem

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.31

Einführung: Zusammenfassung

• Ziel und Rolle der Formalen Logik in der Informatik

• Modellierung, Adäquatheit der Modellierung

• Wesentliche Komponenten für jede Logik:Syntax, Semantik, Deduktionsmeachanismus (Kalkül)

• Beispiel Aussagenlogik: Syntax, Sematik, Syllogismen

• The Whole Picture:

• Formel in der “wahren Welt” / (semantisch) gültige Formel,gültige Formel / ableitbare Formel

• Vollständigkeit und Korrektheit von Kalkülen

• Beispiel für (nicht-triviale) aussagelogische Modellierung:Acht-Damen-Problem

Logik für Informatiker, SS ’06 – p.31