1 Implicazione ed equivalenza tautologica
Il simbolo ≡ indica l’equivalenza, mentre ⇒ indica l’implicazione. Per costruire dimostrazioni interessano in particolare le equivalenze e le implicazioni che sono tautologie.
Nelle tabelle di verità, 1 indica il vero e 0 il falso.
1.1 Connettivi e convenzioni di lettura
In queste note P≡Q è il connettivo bicondizionale, indicato anche con P⇔Q. L’equivalenza tautologica richiede che questo bicondizionale sia vero in ogni interpretazione. Analogamente, la formula P⇒Q può essere vera o falsa; è un’implicazione tautologica soltanto se è sempre vera.
I connettivi fondamentali si leggono come segue: ¬PP∧QP∨QP⇒QP≡Qnon PP e QP oppure Q (anche entrambe)se P, allora QP se e solo se Q Si usano parentesi per delimitare premesse, conclusioni e sottoformule. In assenza di parentesi, si valuta prima la negazione, poi la congiunzione, poi la disgiunzione, infine l’implicazione e il bicondizionale.
Una tabella riassume i valori dei connettivi binari: P0011Q0101P∧Q0001P∨Q0111P⇒Q1101P≡Q1001 Inoltre ¬0=1 e ¬1=0. In particolare, ¬(P⇒Q)≡(P∧¬Q).
1.2 Implicazione tautologica
Definizione 1. Una formula P implica tautologicamente una formula Q se P⇒Q è una tautologia.
Si parte da una premessa e si giunge a una conclusione. Nell’implicazione tautologica, la relazione di conseguenza vale indipendentemente dai valori assegnati alle variabili proposizionali: ogni assegnazione che rende vera la premessa rende vera anche la conclusione.
Esempio 1. La formula (A∨B)⇒C non è una tautologia. Infatti, se almeno una tra A e B è vera e C è falsa, l’implicazione è falsa.
Esempio 2. La formula (A∧B)⇒A è una tautologia, come mostra la tabella: A0011B0101A∧B0001(A∧B)⇒A1111
Si calcola prima il valore della congiunzione e poi quello dell’implicazione. Il connettivo principale si valuta per ultimo, perché determina il valore dell’intera formula.
1.3 Equivalenza tautologica
Definizione 2. Due formule P e Q sono tautologicamente equivalenti se e solo se P≡Q è una tautologia.
Esempio 3. L’equivalenza A≡B non è una tautologia. Per verificarlo basta considerare le prime due righe della tabella: A00B01A≡B10
La seconda riga fornisce già un’assegnazione che rende falsa la formula; non occorre proseguire per escludere che sia una tautologia.
2 Strumenti di dimostrazione
Per stabilire se una formula è una tautologia, è soddisfacibile oppure è una contraddizione, si possono utilizzare i seguenti strumenti:
Studiare la negazione della formula. Se la negazione è falsa per ogni assegnazione, la formula iniziale è una tautologia. Questo procedimento può richiedere la trasformazione della formula.
Costruire la tabella di verità.
Svolgere una dimostrazione mediante leggi e regole di inferenza, senza ricorrere al solo procedimento meccanico della tabella.
Un’interpretazione assegna un valore di verità alle variabili proposizionali. Per esempio: I1={A↦1, B↦0, C↦0}.
La tabella di verità permette di riconoscere una tautologia controllando che la formula sia vera in ogni riga. Per dimostrare la soddisfacibilità è invece sufficiente trovare un’interpretazione che la renda vera.
In una dimostrazione si possono usare:
un insieme di leggi, ossia tautologie già dimostrate, come le leggi commutative e distributive, da richiamare nei passaggi;
un insieme di regole di inferenza, che consentono di ricavare conclusioni dalle premesse, come il principio di sostituzione.
3 Principio di sostituzione dell’uguaglianza
Il principio di sostituzione consente di sostituire un’espressione con un’altra a essa uguale all’interno di un’espressione più ampia.
Esempio 4. Si vuole dimostrare l’identità (a+b)(a−b)=a2−b2.
Si procede applicando le proprietà delle operazioni.
Si utilizza la proprietà distributiva: (x+y)z=xz+yz. Con la sostituzione {x↦a, y↦b, z↦a−b} si ottiene (a+b)(a−b)=a(a−b)+b(a−b).
Si applica nuovamente la proprietà distributiva, separatamente ai due addendi. Utilizzando z(x+y)=zx+zy, le sostituzioni sono rispettivamente {z↦a, x↦a, y↦−b},{z↦b, x↦a, y↦−b}. Pertanto a(a−b)b(a−b)=a⋅a−a⋅b,=b⋅a−b⋅b, e quindi a(a−b)+b(a−b)=a⋅a−a⋅b+b⋅a−b⋅b.
Si applicano la definizione di quadrato, x⋅x=x2, e la commutatività del prodotto: a⋅a−a⋅b+b⋅a−b⋅b=a2−ab+ab−b2.
Si utilizza la cancellazione dei termini opposti: a2−ab+ab−b2=a2−0−b2.
Poiché 0 è l’elemento neutro della somma, a2−0−b2=a2−b2.
Si conclude che (a+b)(a−b)=a2−b2.
4 Principio di sostituzione dell’equivalenza
Proposizione 1. Se P e Q sono tautologicamente equivalenti, sostituendo una qualsiasi occorrenza di P in una formula R con Q si ottiene una formula tautologicamente equivalente a R.
Indicando con R[P/Q] la formula ottenuta sostituendo in R le occorrenze di P con Q, la regola si esprime come ⊨(R≡R[P/Q])⊨(P≡Q). Il simbolo ⊨ davanti a una formula indica che essa è vera in ogni interpretazione. La regola richiede dunque un’equivalenza tautologica come premessa.
La sostituzione può essere applicata anche a tutte le occorrenze di P.
Conoscere le leggi di equivalenza permette di condurre dimostrazioni evitando di costruire ogni volta tabelle di verità, che possono diventare lunghe.
5 Leggi per l’equivalenza
5.1 Riflessività
P≡P.
P10P≡P11
5.2 Simmetria
(P≡Q)≡(Q≡P).
P0011Q0101P≡Q1001Q≡P1001(P≡Q)≡(Q≡P)1111
5.3 Associatività
((P≡Q)≡R)≡(P≡(Q≡R)).
Con tre variabili vi sono 23=8 assegnazioni possibili. Le righe possono essere disposte in qualsiasi ordine, purché siano presenti tutte le assegnazioni.
Per rendere leggibile la tabella, poniamo U=((P≡Q)≡R),V=(P≡(Q≡R)).U=((P≡Q)≡R),V=(P≡(Q≡R)).
P00001111Q00110011R01010101P≡Q11000011Q≡R10011001U01101001V01101001U≡V11111111
5.4 Unità
Si indica con T la costante logica vera. Vale la legge (P≡T)≡P.
P10P≡T10(P≡T)≡P11
La colonna relativa a T può essere omessa, perché contiene sempre il valore 1.
5.5 Transitività
((P≡Q)∧(Q≡R))⇒(P≡R).
Se P è equivalente a Q e Q è equivalente a R, allora P è equivalente a R.
Qui il connettivo principale è un’implicazione: non si sta affermando l’equivalenza tra la premessa complessiva e la conclusione. Per verificare la tautologia occorre escludere il caso in cui la premessa sia vera e la conclusione falsa, perché tale caso renderebbe falsa l’implicazione.
6 Leggi per la congiunzione e la disgiunzione
6.1 Commutatività
P∨QP∧Q≡Q∨P,≡Q∧P.
La tabella per la disgiunzione è P0011Q0101P∨Q0111Q∨P0111(P∨Q)≡(Q∨P)1111
La legge per la congiunzione si verifica analogamente mediante la relativa tabella di verità.
6.2 Associatività
(P∧Q)∧R(P∨Q)∨R≡P∧(Q∧R),≡P∨(Q∨R).
Entrambe le leggi si possono verificare mediante le tabelle di verità.
6.3 Idempotenza
P∨PP∧P≡P,≡P.
Per la disgiunzione: P01P∨P01(P∨P)≡P11
La verifica per la congiunzione si svolge nello stesso modo.
6.4 Unità
Si indica con F la costante logica falsa. Valgono le leggi P∨FP∧T≡P,≡P.
Dunque F è l’elemento neutro della disgiunzione e T è l’elemento neutro della congiunzione: in entrambi i casi, l’operazione lascia invariato il valore di P.
P01P∨F01(P∨F)≡P11P∧T01(P∧T)≡P11
6.5 Legge dello zero o di dominanza
P∨TP∧F≡T,≡F.
La costante T domina nella disgiunzione: se almeno uno degli operandi è vero, la disgiunzione è vera. La costante F domina nella congiunzione: se almeno uno degli operandi è falso, la congiunzione è falsa. Le leggi si verificano mediante le tabelle di verità.
6.6 Distributività
P∨(Q∧R)P∧(Q∨R)≡(P∨Q)∧(P∨R),≡(P∧Q)∨(P∧R).
Nell’applicazione delle proprietà distributive, i valori di P, Q e R devono rimanere gli stessi in tutte le loro occorrenze.
Per la prima legge poniamo U=P∨(Q∧R),V=(P∨Q)∧(P∨R).U=P∨(Q∧R),V=(P∨Q)∧(P∨R).
Si calcolano prima le sottoformule, poi i due membri e infine la loro equivalenza: P00001111Q00110011R01010101Q∧R00010001P∨Q00111111P∨R01011111U00011111V00011111U≡V11111111
7 Leggi per la negazione
7.1 Doppia negazione
¬(¬P)≡P.
P10¬P01¬(¬P)10¬(¬P)≡P11
7.2 Terzo escluso
P∨¬P≡T.
P10¬P01P∨¬P11(P∨¬P)≡T11
7.3 Non contraddizione
P∧¬P≡F.
La legge si verifica mediante la tabella di verità.
7.4 Leggi di De Morgan
¬(P∧Q)¬(P∨Q)≡¬P∨¬Q,≡¬P∧¬Q.
La negazione di una congiunzione equivale alla disgiunzione delle negazioni. La negazione di una disgiunzione equivale alla congiunzione delle negazioni.
7.5 Negazione delle costanti
¬T¬F≡F,≡T.
8 Leggi dell’implicazione
8.1 Eliminazione dell’implicazione
(P⇒Q)≡(¬P∨Q).
P0011Q0101P⇒Q1101¬P1100¬P∨Q1101(P⇒Q)≡(¬P∨Q)1111
8.2 Eliminazione dell’equivalenza
(P≡Q)≡((P⇒Q)∧(Q⇒P)).
L’equivalenza si esprime quindi come congiunzione delle due implicazioni, una in ciascun verso. La legge si verifica mediante la tabella di verità.