第五章:數(shù)理邏輯的大發(fā)展

1930年以后,數(shù)學(xué)邏輯開始成為一個專門學(xué)科,得到了蓬勃發(fā)展。哥德爾的兩個定理證明之后,希爾伯特的有限主義綱領(lǐng)行不通,證明論出現(xiàn)新的情況,主要有兩方面:通過放寬有限主義的限制來證明算術(shù)無矛盾性以及把證明形式化、標(biāo)準(zhǔn)化,這些主要是在三十年代完成。同時哥德爾引進(jìn)遞歸函數(shù),發(fā)展成遞歸論的新分支,開始研究判定問題。而哥德爾本人轉(zhuǎn)向公理集合論的研究,從此出現(xiàn)公理集合論的黃金時代。五十年代模型論應(yīng)運(yùn)而生,它與數(shù)學(xué)有著密切聯(lián)系,并逐步產(chǎn)生積極的作用。

1、證明論

證明論又稱元數(shù)學(xué),它研究數(shù)學(xué)的最基本活動—證明的合理性問題。研究這類數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的問題原來一直是哲學(xué)家的事,后來才成為數(shù)學(xué)家的事。這個轉(zhuǎn)變發(fā)生在1893年弗雷格發(fā)表《算術(shù)基礎(chǔ)規(guī)則》之時,后來希爾伯特和他的許多合作者使這種思想發(fā)展成一門學(xué)科—元數(shù)學(xué),目的是用數(shù)學(xué)方法來研究整個數(shù)學(xué)理論。

要使數(shù)學(xué)理論成為一個合適的研究對象,就必須使之形式化。自從希爾伯特和阿克曼所著《理論邏輯綱要》第一版在1928年出版以來,在實踐中用得最多的是具有等式的一階謂詞演算(以及高階謂詞演算)。許多理論可以用一階理論來表述,它比較簡單方便,具有多種形式。

從基礎(chǔ)的觀點來看,有兩個理論最為重要,因而研究也最多。這兩個理論就是形式化的皮亞諾算術(shù)理論與形式化的集合論。因為大多數(shù)觀代數(shù)學(xué)理論都可以在這兩個理論范圍內(nèi)發(fā)展,所以這兩個理論的合理性如果得到證實,也就是向數(shù)學(xué)的可靠性邁進(jìn)了一大步!跋柌赜媱潯睙o非就是要找到一個有限的證明步驟來證明算術(shù)的無矛盾性。

這里“有限”的意義是由法國年輕數(shù)學(xué)家厄布朗明確提出的,他認(rèn)為下列條件必須滿足:必須只討論確定的有限數(shù)目的對象及函數(shù);這些對象及函數(shù)要能確定它們的真值產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的計算結(jié)果;一個對象如不指出如何構(gòu)造它就不能肯定其存在;必須永遠(yuǎn)不考慮一個無窮集體中所有對象的集合;一個定理對于一組對象都成立的意思是,對于每個特殊的對象,可以重復(fù)所講的普遍論證,而這普遍論證只能看成是結(jié)果特殊論證的原型。

 

數(shù)學(xué)理論的無矛盾性有了這種有限的、可構(gòu)造性的論證之后,任何人都可以放心了。希爾伯特計劃提出后,幾組數(shù)學(xué)家分別為實現(xiàn)它而努力:一組是希爾伯特及貝耐斯,以及阿克曼關(guān)于把數(shù)學(xué)理論形式化的研究,一組是馮·諾依曼關(guān)于算術(shù)無矛盾性的初步研究及哥德爾的不完全性定理以及甘岑的最后解決;還有一組是厄布朗及甘岑關(guān)于證明的標(biāo)準(zhǔn)形式等的研究。

厄布朗是法國天才的青年數(shù)學(xué)家,1931年8月在登阿爾卑斯山時遇難,年僅23歲。他對代數(shù)數(shù)論尤其是數(shù)理邏輯進(jìn)行過重要的研究工作,1929年他在博士論文《證明論研究》中提出他的基本定理。從某種意義上來講,這個定理是想把謂詞演算歸結(jié)為命題演算。由于前一理論是不可判定的,而后一理論是可判定的,因此這種歸結(jié)不可能是完全的。

但是,由于厄布朗局限于希爾伯特有限主義立場,他應(yīng)用的證明方法比較繞彎子。而且在1963年發(fā)現(xiàn),他的證明中有漏洞,他的錯誤很快就得到了彌補(bǔ)。厄布朗定理可以便我們在證明中擺脫三段論法。他的許多結(jié)果,后來也為甘岑獨(dú)立地得出。

甘岑的自然演繹系統(tǒng)是把數(shù)學(xué)中的證明加以形式化的結(jié)果。他由此得出所謂“主定理”,即任何純粹邏輯的證明,都可以表示成為某種正規(guī)形式,雖然正規(guī)形式不一定是唯一的。為了證明這個主定理,他又引進(jìn)了所謂的式列演算。

在普通的數(shù)學(xué)證明中,最常用則是三段論法,即如果A→B,且若A成立,則B成立。其實這就是甘岑推論圖中的“斷”。但是甘岑的主定理就是從任何證明圖中可以消除掉所有的“斷”。也就是:如果在一個證明中用到三段論法,那么定理表明,它也可以化成為不用三段論法的證明,也得到同樣的結(jié)論。

這個定理乍一看來似乎不可理解,其實正如甘岑所說,一個證明圖中有三段論法實際上是“繞了彎子”,而不用三段論法是走直路。這種沒有三段論法的證明圖稱為“正規(guī)形式”,利用這沒有三段論法的證明圖稱為“正規(guī)形式”。利用這個主定理很容易得出許多重要結(jié)果,其中之一就是極為簡單地證明“一階謂詞演算是無矛盾的”,而且能夠推出許多無矛盾性的結(jié)果。后來還可以用來證明哥德爾的完全性及不完全性定理,當(dāng)然,最重要的事還是要證明算術(shù)的無矛盾性。

希爾伯特引進(jìn)證明論的目標(biāo)是證明整個數(shù)學(xué)的無矛盾性,其中最重要的是集合論的無矛盾性(至少ZF系統(tǒng)無矛盾)、數(shù)學(xué)分析的無矛盾性,最基本的當(dāng)然是算術(shù)的無矛盾性。哥德爾的不完全性定理說明,用有限的辦法這個目標(biāo)是達(dá)不到的。由于哥德爾不完全定理的沖擊,希爾伯特計劃需要修改。

有限主義行不通就要用非有限的超窮步驟。1935年,甘岑用超窮歸納法證明自然數(shù)算術(shù)形式系統(tǒng)的無矛盾性。其后幾年,他和其他人又給出了其他的證明。這種放寬了的希爾伯特計劃在第二次世界大戰(zhàn)之后發(fā)展成為證明論的分支,這些證明也推廣到分支類型論及其他理論。

甘岑在第二次大戰(zhàn)行將結(jié)束時去世,他的結(jié)果代表當(dāng)時證明論的最高成就,希爾伯特和貝納斯的《數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》第二卷中總結(jié)了他的工作,但是證明論遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能完成它的最初目標(biāo)。戰(zhàn)后隨著模型論和遞歸論乃至六十年代以來公理集合論的發(fā)展,證明論一直進(jìn)展不大。

五十年代中,日本數(shù)學(xué)家竹內(nèi)外史等人開始對于實數(shù)理論(或數(shù)學(xué)分析)的無矛盾性進(jìn)行探索。因為實數(shù)一開始就同有理數(shù)的無窮集和有關(guān),描述它的語言用一階謂詞演算就不夠了,所以第一步就要先把甘岑的工作推廣到高階謂詞演算中去。

1967年,日本年輕數(shù)學(xué)家高橋元男用非構(gòu)造的方法證明,單純類型論中也可以消去三段論法。由此可以推出數(shù)學(xué)分析子系統(tǒng)的無矛盾性。但是,由于證明不是構(gòu)造的,數(shù)學(xué)分析的無矛盾性至今仍然有待解決。

厄布朗及甘岑的結(jié)果雖然不可能完成希爾伯特計劃的最初目標(biāo),但是由于其有限性、可構(gòu)造性的特點,現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械化證明,成為這門學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

證明論的方法對于數(shù)理邏輯本身有很大的推動,特別是得出新的不可判定命題。最近,英國年輕數(shù)學(xué)家巴黎斯等人有了一項驚人的發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)了一個在皮亞諾算術(shù)中既不能證明也不能否證的純粹組合問題,這不僅給哥德爾不完全性定理一個具體的實例,而且使人懷疑要解決許多至今尚未解決的數(shù)論難題可能都是白費(fèi)力氣。這無疑開辟了證明論一個完全新的方向。
 

 
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