1 一階シグネチャ
定義 1.1. 一階シグネチャ (first-order signature) を
Σ=((Fn)n<ω,(Rn)n<ω)とする。各Fnはn項関数記号の集合、各Rnはn項関係記号の集合である。すべてのFn,Rnは集合であり、タグを付けて互いに素であるとする。F0の元を定数記号と呼ぶ。等号=はR2の元ではなく、すべてのシグネチャに共通する論理記号とする。
変数集合Var={x0,x1,…}は可算無限であり、すべての非論理記号と互いに素であるとする。原始論理記号は¬,→,∀と括弧である。
例 1.2 (群のシグネチャ). 群のシグネチャは、F0={e}、F1={i}、F2={m}とし、それ以外のFnおよびすべてのRnを空集合とすることで得られる。通常はi(x)をx−1、m(x,y)をx⋅yと書く。この中置記法は構文の略記である。
例 1.3 (集合サイズで無限なシグネチャ). 各実数r∈Rに定数記号crを対応させても、F0={cr:r∈R}は集合であるから許される。一方、すべての集合を添字とする記号族は集合をなさないため、本稿のシグネチャにはならない。
2 項と論理式の有限段階構成
集合としての構成を明確にするため、すべての構成子にタグを付ける。以下の通常記法はタグ付き組の略記である。
定義 2.1. 高さが高々mのΣ-項の集合Tmを
T0={⟨var,x⟩:x∈Var}∪{⟨const,c⟩:c∈F0},Tm+1=Tm∪1≤n<ω⋃{⟨fun,n,f,t1,…,tn⟩:f∈Fn, (t1,…,tn)∈Tmn}によって定める。項 (term) 全体を
TermΣ(Var)=m<ω⋃Tmとする。変数と定数のタグ付き組はx,cと書き、正アリティのタグ付き組はf(t1,…,tn)と書く。
定義 2.3. 派生結合子 (derived connective)∧,∨,↔は命題論理と同じく¬,→から定める。存在量化 (existential quantification) は
∃xφ:=¬∀x¬φと定める。
3 集合性・一意可読性・帰納法・再帰
次の定理は、後続の記事が再帰的な解釈や置換を定義するときの集合論的根拠である。集合を作る規則そのものは前提記事「集合の存在原理」が証明した形で用い、本記事は ZF・ZFC の公理を体系的には展開しない。
定理 3.1.Σ=((Fn)n<ω,(Rn)n<ω)の各記号族が集合であり、各記号のアリティが有限であるとする。このとき次が成り立つ。
- TermΣ(Var)、AtomΣ、FormΣ(Var)は集合である。
- 各項と各論理式の外側構成子および直下の構成要素は一意であり、異なる構成子の像は互いに素である。
- 項全体は変数と定数を含み関数記号の適用で閉じた最小の集合である。論理式全体は原子論理式を含み、¬,→,∀の適用で閉じた最小の集合である。
- 項または論理式について、各構成子を保存する性質は構造帰納法によってすべての対象で成り立つ。
- 集合X、変数と定数への初期値、および各n≥1とf∈Fnに対する演算Xn→Xを与えると、それらと可換する写像TermΣ(Var)→Xが一意に存在する。
- 集合Y、各原子論理式への初期値、演算N:Y→Y、I:Y2→Y、および各x∈Varに対する演算Qx:Y→Yを与えると、それらと可換する写像FormΣ(Var)→Yが一意に存在する。
証明.(1)を示す。前提記事の対・和・冪の原理§E1.13 定義 3.1と分出公理スキーマ§E1.13 定義 2.1により、有限個の集合の直積と有限和は集合である。また、置換公理スキーマ§E1.13 定義 5.1により、集合を定義域とする一意な対応の像は集合である。以下では、この二つの結果を各タグ付き像と可算族に適用する。
VarとF0は集合である。x↦⟨var,x⟩とc↦⟨const,c⟩はいずれも一意な対応なので、§E1.13 定義 5.1により二つのタグ付き像は集合である。§E1.13 定義 3.1の対と和を用いて二つの像を合わせるとT0は集合になる。
Tmが集合であるとする。各有限n≥1について、有限直積TmnとFn×Tmnは集合である。後者の各元を⟨fun,n,f,t1,…,tn⟩へ送る対応は一意なので、そのタグ付き像Cm,nは§E1.13 定義 5.1により集合である。n↦Cm,nもω∖{0}上の一意な対応であるから、同じ置換公理スキーマにより{Cm,n:1≤n<ω}は集合である。§E1.13 定義 3.1の和の原理をこの集合族へ適用し、さらにTmと合わせるとTm+1は集合になる。自然数に関する帰納法により各Tmは集合である。再帰によって各mにTmが一意に対応するため、§E1.13 定義 5.1により{Tm:m<ω}は集合であり、和の原理によりTermΣ(Var)=⋃m<ωTmは集合である。
項全体が集合であるため、その有限直積と各Rnの直積は集合である。各n<ωについて、等号原子と関係原子を作るタグ付き対応の像は§E1.13 定義 5.1により集合である。さらにnによって添字付けられた像の族も置換公理スキーマにより集合であるから、和の原理を適用するとAtomΣは集合になる。A0=AtomΣから、否定、含意、全称量化の有限個のタグ付き像を同じ二つの原理で合わせると、Amが集合ならAm+1も集合になる。最後に、m↦Amへ置換公理スキーマを適用して{Am:m<ω}を作り、和の原理を適用するとFormΣ(Var)=⋃m<ωAmは集合になる。
(2)を示す。変数、定数、関数適用、等号原子、関係原子、否定、含意、全称量化には互いに異なるタグを用いた。したがって異なる構成子の像は互いに素である。同じタグの構成子では、順序組の等号から記号、アリティ、引数がすべて一致する。よって外側構成子と直下の構成要素は一意である。
(3)を項について示す。Cが変数と定数を含み、すべての有限アリティの関数適用で閉じているとする。T0⊆Cである。Tm⊆Cなら、Tmの元へ関数記号を適用して得る全項もCに入るのでTm+1⊆Cである。したがって項全体はCに含まれる。論理式についても、A0=AtomΣから始め、否定、含意、全称量化への閉性を用いる同じ帰納法で最小性を得る。
(4)を示す。項の性質Pがすべての変数と定数で成り立ち、t1,…,tnで成り立つならf(t1,…,tn)でも成り立つとする。Pを満たす項の集合は(3)の閉性を満たすため、項全体に等しい。論理式の性質についても、すべての原子で成り立ち、¬,→,∀の各構成で保存されるなら、(3)によりすべての論理式で成り立つ。
(5)を示す。Tm上の写像hmを帰納的に定める。T0では指定された変数と定数の値を用いる。hmが定まったとき、Tm+1∖Tmの元は(2)により一意にf(t1,…,tn)と表示され、各tiはTmに属する。指定されたn項演算を(hm(t1),…,hm(tn))に適用して値を定める。Tm上ではhm+1=hmとする。一意可読性により定義は競合しない。したがってh=⋃m<ωhmは求める写像である。別の写像h′が同じ再帰式を満たすなら、Tm上でh=h′であることをmに関して帰納的に示すことができるのでh=h′である。
(6)ではAm上の写像kmを同様に構成する。A0では指定された原子論理式の値を用いる。新しい否定、含意、全称量化にはそれぞれN,I,Qxを適用する。(2)の一意可読性により存在する写像k=⋃m<ωkmは矛盾なく定まり、Amに関する帰納法により一意である。以上により、すべての項目が示された。▨
4 自由変数・束縛変数・文
定義 4.1. 項tに 現れる変数 (variable occurring in a term) の有限集合Var(t)を
Var(x)={x},Var(c)=∅,Var(f(t1,…,tn))=i=1⋃nVar(ti)によって構造再帰的に定める。
定義 4.2. 論理式φの 自由変数集合 (set of free variables)FV(φ)を
FV(t=u)FV(R(t1,…,tn))FV(¬φ)FV(φ→ψ)FV(∀xφ)=Var(t)∪Var(u),=i=1⋃nVar(ti),=FV(φ),=FV(φ)∪FV(ψ),=FV(φ)∖{x}によって構造再帰的に定める。自由でない変数出現は、それを支配する量化記号によって束縛されている (bound variable occurrence) という。FV(φ)=∅を満たす論理式を文 (sentence) といい、文全体をSent(Σ)と書く。
命題 4.3. 任意の項tと論理式φについて、Var(t)とFV(φ)は有限集合である。
証明. 項について構造帰納法を用いる。変数と定数の場合は明らかであり、関数適用の場合は有限個の有限集合の和である。論理式についても構造帰納法を用いる。原子の場合は有限個の項の変数集合の和である。否定、含意、全称量化の場合は、有限和または一点の除去が有限性を保存する。▨
例 4.4 (自由出現と束縛出現). 論理式
R(x,y)→∀xR(x,z)では、左側のxとy、右側のzが自由に現れ、右側のxは全称量化によって束縛される。したがって自由変数集合は{x,y,z}である。
5 α同値
束縛変数の名前は意味を変えない。ただし、自由変数を捕獲する改名は許されない。
定義 5.1.∀xφの直下で、外側の∀xが束縛するxの出現だけをzに変える操作をrenx↦z(φ)と書く。内側に現れる別の∀xの内部では改名を停止する。z∈/FV(φ)であり、改名対象の出現がφ内の∀zの作用域に入らないとき、この改名を捕獲回避的 (capture-avoiding) という。
定義 5.2. α同値 (alpha-equivalence)≡αを、次の捕獲回避的な束縛変数の改名
∀xφ≡α∀zrenx↦z(φ)をすべて含み、¬,→,∀の各構成子と両立する最小の同値関係として定める。すなわち、≡αは捕獲回避的な一貫した束縛変数改名が生成する最小の合同関係である。
例 5.3 (α同値と捕獲).zがφに自由に現れないなら
∀xR(x,y)≡α∀zR(z,y)である。一方、∀xR(x,z)のxをzに改名して∀zR(z,z)とすると、もとの自由なzが束縛される。したがって両者はα同値ではない。
命題 5.4.φ≡αψならFV(φ)=FV(ψ)である。
証明. 生成関係となる一回の捕獲回避的改名では、束縛されている変数名だけが変わり、自由変数の出現は変わらない。したがって自由変数集合は等しい。等号、対称律、推移律による閉包と、否定、含意、全称量化の各合同規則も自由変数集合の等しさを保存する。生成列の長さに関する帰納法により主張が従う。▨
6 演習
問題 6.1.
- Fnが各nについて集合であるだけでなく、n<ωにわたる族として与えられる必要がある理由を述べよ。
- ∀x(R(x,y)→∃yS(x,y,z))の自由変数集合を求めよ。
- ∀x∀yR(x,y)と∀y∀xR(x,y)が一般にはα同値でない理由を述べよ。
解答 (確認問題の解答).
- 項の一段階の構成でn<ωにわたる記号適用の和集合を取るため、その全体が集合として与えられていなければならない。
- 外側のxと内側のyは束縛されるので、自由変数集合は{y,z}である。
- α同値が変更するのは束縛変数の名前であり、量化記号の順序ではないからである。
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本稿は有限構文木の生成原理を確立した。次稿では非空の台集合をもつ構造と変数割当てを定め、項の解釈と Tarski の充足関係をこの構造再帰に沿って定義する。