邏輯論證(Logical Argument)


邏輯論證(argument)

「論證」包含「前提」與「結果」,用符號表示如下:

P₁ ∧ P₂ ∧ … ∧ Pₙ → Q

其中 P₁、P₂、…、Pₙ 稱為「前提」,Q 稱為「結果」。

從「前提」發展到「結果」可用「歸納法(induction)」或「演繹法(deduction)」,兩種邏輯推理方法非本文討論重點,可透過文字中的超連結參考維基百科說明。

在實務上來說,要證明「P₁∧P₂∧…∧Pₙ→Q」並不容易,因此有些時候會改為證明「P₁∧P₂∧…∧Pₙ₋₁→(Pₙ→Q)」。


一、雙向推理規則(biconditional inference rules)

因為部分「命題」有與其「實質等價」的另一「命題」,兩「命題」之間可以互相代換,形成以下推理規則:

有了以上規則,命題可以推出結論,形成邏輯論證,舉例如下:

  1. 原始命題(假說 hyp):(P'∨Q')∨R
  2. 笛摩根定律 De Morgan:(P∧Q)'∨R
  3. 實質條件 imp:(P∧Q)→R

最後得到的「(P∧Q)→R」即為一「邏輯論證」,可由 (P∧Q) 這個命題推出 R 這個結果。


二、單向推理規則(monoconditional inference rules)

可以「從前提推得結果」,但無法「從結果推回前提」,舉例如下:

前四者概念比較抽象,可用實例理解:

有效論證:肯定前件(modus ponens,簡稱 mp)

  1. 前提 P:今天下雨。
  2. 前提 (P→Q):若今天下雨,則地上是濕的。
  3. P∧(P→Q) 即代表:今天下雨;且若今天下雨,則地上是濕的。
  4. 由第 3. 點可得出「地上是濕的」這個結果 Q。

無效論證:否定前件(denying the antecedent)

  1. 前提 P':今天沒有下雨。
  2. 前提 (P→Q):若今天下雨,則地上是濕的。
  3. 結果 Q':地上不是濕的。

但有了「今天沒有下雨」這個前提,不代表會有「地上不是濕的」這個結果,就算全天豔陽高照,只要有人澆花、洗地板等行為,都還是可以讓地上變成濕的,「P'∧(P→Q)」也可以推出「Q」,因此「P'∧(P→Q)→Q'」是無效論證。

無效論證:肯定後件(affirming the consequent)

  1. 前提 Q:地上是濕的。
  2. 前提 (P→Q):若今天下雨,則地上是濕的。
  3. 結果 P:今天下雨。

但「地上是濕的」不一定代表「今天下雨」,也可能是因為有人澆花、洗地板等,「Q∧(P→Q)」也可以推出「P'」,因此「Q∧(P→Q)→P」是無效論證。

有效論證:否定後件(modus tollens,簡稱 mt)

  1. 前提 (P→Q):若今天下雨,則地上是濕的。
  2. 前提 Q':地上不是濕的。
  3. 由第 2. 點可以得出「今天沒有下雨」這個結果。

「命題邏輯」推理範例

邏輯論證:P∧(Q→R)∧[(P∧Q)→(S∨R')]∧Q→S
目標:從「P∧(Q→R)∧[(P∧Q)→(S∨R’)]∧Q」經邏輯推理,得到結果「S」。

  1. 假說一(hyp 1):P
  2. 假說二(hyp 2):(Q→R)
  3. 假說三(hyp 3):[(P∧Q)→(S∨R')]
  4. 假說四(hyp 4):Q
  5. 邏輯合取(con hyp 1 & hyp 4):P∧Q
  6. 肯定前件(mp hyp 3 & 5.):(S∨R')
  7. 交換率(comm hyp 3 & 7.):(R'∨S)
  8. 實質條件(imp 7.):R→S
  9. 肯定前件(hyp 2. & hyp 4.):R
  10. 實質條件(imp 8. & 9.):S

三、謂詞邏輯推理規則(predicate logic inference rules)

假設 x 代表「手機」、t 代表「iPhone 13」,因此 t 代表某一個 x;P(x) 代表「x具有照相功能」,又因 x 代表手機,因此 P(x) 代表「手機具有照相功能」,P(t) 則是代表「iPhone 13 具有照相功能」。

全稱實例化(universal instantiation,簡稱 ui)

  1. 「∀x」代表「對於所有的手機」。
  2. 「P(x)」代表「手機具有照相功能」。
  3. 「∀xP(x)」,即當「每隻手機都具有照相功能」時。
  4. 「P(t)」:「iPhone 13 具有照相功能」是否為真?

因為「手機」這個群體的每個成員都可以照相,iPhone 13 又屬於「手機」這個群體,因此「iPhone 13 具有照相功能」這個敘述為真。

普遍化(universal generalization,簡稱 ug)

  1. 「P(t)」代表「iPhone 13 具有照相功能」。
  2. 「∀xP(x)」:「每隻手機都具有照相功能」是否為真?

我們可以因為「iPhone 13 具有照相功能」,就推出「所有手機都具有照相功能」這個結果嗎?

這個推理是有問題的,因為 iPhone 13 可以拍照,不代表所有的手機都可以拍照,或許在「手機」這個群體中,真的存在不具照相功能的手機。

只有在從「全稱實例化(ui)」推得的 P(t),才能使「普遍化(ug)」推得的 ∀xP(x) 成立。

存在例化(existential instantiation,簡稱 ei)

  1. 「∃x」代表「存在一隻手機」。
  2. 「P(x)」代表「手機具有照相功能」。
  3. 「∃xP(x)」,即當「存在一隻手機具有照相功能」時。
  4. 「P(t)」:「iPhone 13 具有照相功能」是否為真?

因為至少有一隻手機具有照相功能,而 iPhone 13 又屬於「手機」這個群體,因此,「iPhone 13 具有照相功能」這個敘述為真。

存在概括(existential generalization,簡稱 eg)

  1. 「P(t)」代表「iPhone 13 具有照相功能」。
  2. 「∃xP(x)」:「存在一隻手機都具有照相功能」是否為真?

iPhone 13 屬於「手機」這個群體,而 iPhone 13 又可以拍照,因此,「存在一隻手機都具有照相功能」這個敘述為真。


「命題邏輯」與「謂詞邏輯」綜合推理範例

邏輯論證: ∀x[P(x)→Q(x)]∧∃x[P(x)∧R(x)]→∃x[P(x)∧Q(x)∧R(x)]
目標:從「∀x[P(x)→Q(x)]∧∃x[P(x)∧R(x)]」經邏輯推理,得到結果「∃x[P(x)∧Q(x)∧R(x)]」。

  • 假說一(hyp 1):∀x[P(x)→Q(x)]
  • 假說二(hyp 2):∃x[P(x)∧R(x)]
  • 全稱實例化(ui hyp 1):P(t)→Q(t)
  • 存在例化(ei hyp 2):P(t)∧R(t)
  • 邏輯簡化(sim 4.):P(t)、R(t)
  • 肯定前件(mp 3. 的 P(t) & 5.):Q(t)
  • 邏輯合取(con 5. & 6.):P(t)∧Q(t)∧R(t)
  • 存在概括(eg 7.):∃x[P(x)∧Q(x)∧R(x)]

小結

  1. 邏輯論證:包含「前提」與「結果」,「結果」可經「前提」推理得出。
  2. 雙向推理規則:兩實質相等命題間的推理過程,包含交換律(comm)、結合律(ass)、笛摩根定律(De Morgan)、實質條件(imp)、雙重否定(dn)、實質等價(equ)。
  3. 單向推理規則:從「前提」得到「結果」、適用命題的單向推理過程,包含肯定前件(mp)、否定後件(mt)、邏輯合取(con)、邏輯簡化(sim);「否定前件」與「肯定後件」為無效論證。
  4. 謂詞邏輯推理規則:從「前提」得到「結果」、且適用謂詞的單向推理過程,包含全稱實例化(ui)、存在例化(ei)、存在概括(eg);「普遍化(ug)」不一定正確,僅在從 ui 推理出的結果適用。
#離散數學 #邏輯論證







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