\documentclass[10pt, a4paper]{exam} \printanswers % Comment this line to hide the answers \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage[T1]{fontenc} \usepackage[ngerman]{babel} \usepackage{enumitem,amsmath,amsthm,amsfonts,amssymb} \usepackage{color,graphicx,overpic} \usepackage{hyperref} \usepackage{pgfplots} \usepackage{bussproofs} \usepackage[many]{tcolorbox} \usepackage{pifont} \newcommand{\cmark}{\ding{51}} \newcommand{\xmark}{\ding{55}} % Don't print section numbers \setcounter{secnumdepth}{0} \qformat{\textbf{Aufgabe \thequestion}\dotfill \thepoints} \pdfinfo{ /Title (Logik und Logikprogrammierung - Übung) /Creator (TeX) /Producer (pdfTeX 1.40.0) /Subject () } \title{Logik und Logikprogrammierung - Übung} \author{} \date{} \newtcolorbox{myboxii}[1][]{ breakable, freelance, title=#1, colback=white, colbacktitle=white, coltitle=black, fonttitle=\bfseries, bottomrule=0pt, boxrule=0pt, colframe=white, overlay unbroken and first={ \draw[red!75!black,line width=3pt] ([xshift=5pt]frame.north west) -- (frame.north west) -- (frame.south west); \draw[red!75!black,line width=3pt] ([xshift=-5pt]frame.north east) -- (frame.north east) -- (frame.south east); }, overlay unbroken app={ \draw[red!75!black,line width=3pt,line cap=rect] (frame.south west) -- ([xshift=5pt]frame.south west); \draw[red!75!black,line width=3pt,line cap=rect] (frame.south east) -- ([xshift=-5pt]frame.south east); }, overlay middle and last={ \draw[red!75!black,line width=3pt] (frame.north west) -- (frame.south west); \draw[red!75!black,line width=3pt] (frame.north east) -- (frame.south east); }, overlay last app={ \draw[red!75!black,line width=3pt,line cap=rect] (frame.south west) -- ([xshift=5pt]frame.south west); \draw[red!75!black,line width=3pt,line cap=rect] (frame.south east) -- ([xshift=-5pt]frame.south east); }, } \begin{document} \begin{myboxii}[Disclaimer] Die Übungen die hier gezeigt werden stammen aus der Vorlesung \textit{Logik und Logikprogrammierung}! Für die Richtigkeit der Lösungen wird keine Gewähr gegeben. \end{myboxii} \begin{questions} \question Emil hat seine Freunde Anne, Bernd, Christiane und Dirk auf eine Party eingeladen. Leider gibt es dabei einige Komplikationen. \begin{enumerate} \item Anne ist in Bernd verliebt und kommt nur mit, wenn Bernd auch kommt. \item Bernd ist jedoch in Christiane verliebt und kommt nur, wenn Christiane auch kommt. \item Zudem ist auch Dirk in Christiane verliebt und, falls Christiane kommt, kommt Dirk auch. \item Wenn Dirk mitkommt, wird er auf jeden Fall Anne oder Bernd mitbringen. \item Christiane ist die Situation peinlich und kommt, falls sowohl Bernd als auch Dirk mitkommen, nicht mit. \end{enumerate} \begin{parts} \part Formalisieren Sie die gegebenen Sachverhalte durch aussagenlogische Formeln.Hinweis: Die Motivationsgründe der einzelnen Personen können dabei vernachlässigt werden. Verwenden Sie die atomaren Formeln A für ,,Anne kommt mit'', B für ,,Bernd kommt mit'', C für ,,Christiane kommt mit'' und D für ,,Dirk kommt mit''. \begin{solution} \begin{enumerate} \item $A\rightarrow B$ \item $B\rightarrow C$ \item $C\rightarrow D$ \item $D\rightarrow (A\vee B)$ \item $(B\wedge D) \rightarrow \lnot C$ \end{enumerate} \end{solution} \part Argumentieren Sie, dass keiner der vier Freunde Emils zur Party mitkommt. \begin{solution} Ziel: $\lnot A \wedge \lnot B \wedge \lnot C \wedge \lnot D$ \\ Es gilt: $B\rightarrow D$, da $B\rightarrow C$ und $C\rightarrow D$ \\ Es gilt: $D\rightarrow B$, da $D\rightarrow (A\vee B)$ und $A\rightarrow B$ \\ Es gilt: $B\leftrightarrow D$, da $B\rightarrow D$ und $D\rightarrow B$ \\ Es gilt: $C\rightarrow B$, da $C\rightarrow D$ und $D\rightarrow B$ \\ Es gilt: $B\leftrightarrow C$, da $B\rightarrow C$ und $C\rightarrow B$ \\ Es gilt äquivalenz: $(\lnot B\wedge \lnot C\wedge \lnot D)\vee(B\wedge C\wedge D)$ \\ Angenommen $B\wedge C\wedge D$, dann $B\wedge D\Rightarrow \lnot C$, also $\lnot C$ und $C$ !Widerspruch! \\ Es gilt: $\lnot A$, da $A\rightarrow B$ und $\lnot B$ \\ Es gilt $\lnot A\wedge \lnot B\wedge \lnot C\wedge \lnot D$ \end{solution} \end{parts} \question Sei $P=\{p_1,...,p_k\}$ eine endliche, nicht-leere Menge atomarer Formeln. Wir können die Menge $AL(P)$ der aussagenlogischen Formeln über den atomaren Formeln aus $P$ als eine formale Sprache über dem Alphabet $\sum=\{\bot,\wedge,\vee,\rightarrow,\lnot,(,)\} \vee P$ auffassen. \begin{parts} \part Zeigen Sie, dass $AL(P)$ nicht regulär ist. \begin{solution} Mit Satz von Myhill-Nerode: Betrachte Wörter $v_n=[(P_n)]^n P_n$. Für $m\not = n$ sind $v_m, v_n$ in verschiedenen MN-Äquivalenzklassen: $v_m[I]^m \in AL(P)$ und $v_n[I]^m \not\in AL(P)$ \\ Also gibt es unendlich viele MN-Äquivalenzklassen und $AL(P)$ ist nicht regulär \end{solution} \part Zeigen Sie, dass $AL(P)$ jedoch kontextfrei ist, indem Sie eine kontextfreie Grammatik angeben, die $AL(P)$ erzeugt. \begin{solution} $G=(V,\sum,P,S)$ \\ $S\rightarrow \bot |p_1|...|p_k|\lnot S| (S\wedge S) | (S\vee S) | (S\rightarrow S)$ \end{solution} \end{parts} \question Zeigen Sie per vollständiger Induktion über den Formelaufbau, dass in jeder Formel die Anzahl der öffnenden Klammern gleich der Anzahl der schließenden Klammern ist, d.h. zeigen Sie, dass für alle endlichen Mengen atomarer Formeln $P=\{p_1,...,p_k\}$ und alle $\phi\in AL(P)$, dass $|\phi|_(=|\phi|_)$ gilt. \begin{solution} Induktion über Formelaufbau. \\ I.A.: $E=\bot: |\bot|_) = 0 = |\bot|_($, $E=p_i: |p_i|_) = 0 = |p_i|_($ \\ I.V.: für $E,\Phi \in AL(P)$ gilt $|E|_( = |E|_)$,$|\Phi|_(=|\Phi|_)$ \\ I.S.: $\lnot E: |\lnot E|_( = |\lnot |_( +|E|_( = |\lnot|_(+|E|_) = |E|_)= |\lnot|_)+|E|_)= |\lnot E|_)$ \\ $\quad\quad (E\wedge \Phi): |(E\wedge\Phi)|_(= |(|_( + |E|_( + |\wedge| + |\Phi|_( + |)|_( = 1 + |E|_( + |\Phi|_( +0 = 1+|E|_)+0+|\Phi|_) = |(|_) + |E|_) + |\wedge| + |\Phi|_) + |)|_) = |(E\wedge\Phi)_)$ \\$(E\vee\Phi), (E\rightarrow\Phi)$ analog \end{solution} \question Seien $\phi, \psi$ aussagenlogische Formeln. Wir sagen, dass $\psi$ eine Teilformel von $\phi$ ist wenn $\phi$ (als syntaktisches Wort) ein Infix von $\psi$ ist. Zum Beispiel ist $p_1$ eine Teilformel von $\lnot (p_2\wedge p_1)$, nicht aber $\lnot($, da dies keine aussagenlogische Formel ist. Sei $TF(\phi)$ die Anzahl der Teilformeln von $\phi$. Zeigen Sie per vollständiger Induktion über den Formelaufbau, dass für jede aussagenlogische Formel $\phi$ die Anzahl der Teilformeln von $\phi$ kleiner gleich der Länge von $\phi$ ist, also $TF(\phi) \leq |\phi|$. \begin{solution} I.A.: $E =\bot: TF(\bot) = 1 = |E|, \quad E=p_i: TF(p_i) = 1 = |E|$ I.V.: gelte für Formel $E, \Psi$, d.h. $TF(E) \leq |E|$ und $TF(\Psi) \leq |\Psi|$ I.S.: \begin{itemize} \item $\lnot E:TF(\lnot E)\leq 1 + TF(E) \leq 1+|E| = |\lnot E|$ \item $(E\wedge \Psi): TF(E\wedge\Psi)=1+TF(E)+TF(\Psi) \leq 1+|E|+|\Psi| \leq 3+|E|+|\Psi|=|(E\wedge\Psi)|$ \item $(E\vee\Psi), (E\rightarrow\Psi)$ analog \end{itemize} Also folgt aus der vollständigen Induktion \end{solution} \question Vervollständigen Sie die folgende Deduktion um die angewendeten Regeln, gestrichenen Hypothesen und fehlenden Formeln. Markieren Sie zudem für alle gestrichenen Hypothesen, durch welche Regelanwendung diese gestrichen wurden. \begin{prooftree} \AxiomC{$\phi\vee\psi$} \AxiomC{$\lnot \phi\wedge\lnot\psi$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_1$)} \UnaryInfC{?} \AxiomC{$\phi$} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot E$)} \BinaryInfC{?} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot I$)} \UnaryInfC{$\lnot(\lnot \phi\wedge\lnot\psi)$} \AxiomC{$\lnot\phi\wedge\lnot\psi$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_2$)} \UnaryInfC{?} \AxiomC{$\psi$} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot E$)} \BinaryInfC{?} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot I$)} \UnaryInfC{$\lnot(\lnot\phi\wedge\lnot\psi$)} \TrinaryInfC{$\lnot(\lnot\phi\wedge\lnot\psi)$} \UnaryInfC{$\lnot B$} \end{prooftree} \begin{solution} \begin{prooftree} \AxiomC{$\phi\vee\psi$} \AxiomC{$[\lnot \phi\wedge\lnot\psi]^2$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_1$)} \UnaryInfC{$\lnot\phi$} \AxiomC{$[\phi]^1$} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot E$)} \BinaryInfC{$\bot$} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot I (2)$)} \UnaryInfC{$\lnot(\lnot \phi\wedge\lnot\psi)$} \AxiomC{$[\lnot\phi\wedge\lnot\psi]^3$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_2$)} \UnaryInfC{$\lnot\psi$} \AxiomC{$[\psi]^1$} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot E$)} \BinaryInfC{$\bot$} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot I (3)$)} \UnaryInfC{$\lnot(\lnot\phi\wedge\lnot\psi$)} \RightLabel{\scriptsize ($\vee E (1)$)} \TrinaryInfC{$\lnot(\lnot\phi\wedge\lnot\psi)$} \UnaryInfC{$\lnot B$} \end{prooftree} \end{solution} \question In Aufgabe 1 haben wir einen Sachverhalt durch folgende Formeln formalisiert: $$A\rightarrow B, B\rightarrow C, C\rightarrow D, D\rightarrow(A\vee B), (B\wedge D)\rightarrow\lnot C$$ Konstruieren Sie eine formale Deduktion von $\lnot B$, die nur diese Formeln als Hypothesen nutzt (alle anderen Hypothesen sind gestrichen). \begin{solution} \textbf{Version 1:} \begin{prooftree} \AxiomC{$(B\wedge D)\rightarrow \lnot C$} \AxiomC{$B\rightarrow C$} \AxiomC{$C\rightarrow D$} \BinaryInfC{$B\rightarrow D$} \AxiomC{$D\rightarrow (A\vee B)$} \AxiomC{$A\rightarrow B$} \BinaryInfC{$D\rightarrow B$} \BinaryInfC{$B\leftrightarrow D$} \AxiomC{$C\rightarrow D$} \AxiomC{$D\rightarrow B$} \BinaryInfC{$C\rightarrow B$} \AxiomC{$B\rightarrow C$} \BinaryInfC{$B\leftrightarrow C$} \BinaryInfC{$(\lnot B\wedge\lnot C\wedge\lnot D)\vee(B\wedge C\wedge D)$} \BinaryInfC{$\lnot B \wedge \lnot C \wedge \lnot D$} \UnaryInfC{$\lnot B$} \end{prooftree} \textbf{Version 2:} \begin{prooftree} \AxiomC{$[B]^1$} \AxiomC{$B\rightarrow C$} \RightLabel{\scriptsize ($\rightarrow E$)} \BinaryInfC{$C$} \AxiomC{$[B]^1$} \AxiomC{$[B]^1$} \AxiomC{$B\rightarrow C$} \BinaryInfC{$C$} \AxiomC{$C\rightarrow D$} \RightLabel{\scriptsize ($\rightarrow I$)} \BinaryInfC{$D$} \BinaryInfC{$(B\wedge D)$} \AxiomC{$(B\wedge D)\rightarrow \lnot C$} \RightLabel{\scriptsize ($\rightarrow E$)} \BinaryInfC{$\lnot C$} \BinaryInfC{$\bot$} \RightLabel{\scriptsize ($\lnot I (1)$)} \UnaryInfC{$\lnot B$} \end{prooftree} \end{solution} \question Wir wollen in dieser Aufgabe zeigen, dass in der Aussagenlogik sowohl Konjunktion als auch Disjunktion assoziativ sind. Seien dazu $p_1, p_2, p_3$ aussagenlogische Formeln. \begin{parts} \part Zeigen Sie, dass $\{p_1\wedge(p_2\wedge p_3)\}\vdash(p_1\wedge p_2)\wedge p_3$ gilt. \begin{solution} \begin{prooftree} \AxiomC{$p_1\wedge(p_2\wedge p_3)$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_1$)} \UnaryInfC{$p_1$} \AxiomC{$p_1\wedge(p_2\wedge p_3)$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_2$)} \UnaryInfC{$(p_2\wedge p_3)$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_1$)} \UnaryInfC{$p_2$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge I$)} \BinaryInfC{$(p_1\wedge p_2)$} \AxiomC{$p_1\wedge(p_2\wedge p_3)$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_2$)} \UnaryInfC{$(p_2\wedge p_3)$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge E_2$)} \UnaryInfC{$p_3$} \RightLabel{\scriptsize ($\wedge I$)} \BinaryInfC{$(p_1 \wedge p_2)\wedge p_3$} \end{prooftree} Also gilt ${p_1\wedge(p_2\wedge p_3)}\vdash (p_1\wedge p_2)\wedge p_3$ \end{solution} \part Zeigen Sie, dass $\{p1\vee (p_2\vee p_3)\}\vdash(p_1\vee p_2)\vee p_3$ gilt, indem Sie die folgende Deduktion vervollständigen. \begin{solution} \begin{prooftree} \AxiomC{$p_1\vee(p_2\vee p_3)$} \AxiomC{$[p_1]^1$} \RightLabel{\scriptsize ($\vee I_1$)} \UnaryInfC{$(p_1\vee p_2)$} \RightLabel{\scriptsize ($\vee I_2$)} \UnaryInfC{$(p_1\vee p_2)\vee p_3$} \AxiomC{$[(p_2\vee p_3)]^1$} \AxiomC{$[p_2]^2$} \RightLabel{\scriptsize ($\vee I_2$)} \UnaryInfC{$(p_1\vee p_2$)} \RightLabel{\scriptsize ($\vee I_1$)} \UnaryInfC{$(p_1\vee p_2)\vee p_3$} \AxiomC{$[p_2]^2$} \RightLabel{\scriptsize ($\vee I_2$)} \UnaryInfC{$(p_1\vee p_2)\vee p_3$} \RightLabel{\scriptsize ($\vee E (2)$)} \TrinaryInfC{$(p_1\vee p_2)\vee p_3$} \RightLabel{\scriptsize ($\vee E (1)$)} \TrinaryInfC{$(p_1\vee p_2)\vee p_3$} \end{prooftree} Also gilt ${p_1\vee(p_2\vee p_3)}\vdash (p_1\vee p_2)\vee p_3$ \end{solution} \end{parts} \question Werten Sie die folgenden Formeln für die jeweils angegebene Belegung aus. \begin{parts} \part $p_1\rightarrow(p_2\wedge p_3)$ für die $K_3$-Belegung mit $B(p_1)=\frac{1}{2}, B(p_2)=1$ und $B(p_3)=0$ \begin{solution} $B(p_1\rightarrow (p_2\wedge p_3)) = max (...)$ \end{solution} \part $(p_1\vee p_2)\rightarrow(p_2\wedge p_3)$ für die $F$-Belegung mit $B(p_1)=0.3, B(p_2)=0.7$ und $B(p_3)=1$ \begin{solution} $B((p_1\vee p_2)\rightarrow(p_2\wedge p_3) = max(B(p_2\wedge p_3), 1-B(p_1\vee p_2)) = max(min(B(p_2),B(p_3)), 1-max(B(p_1),B(p_2))) = max(min(0.7,1),1-max(0.5,0.7)) = 0.7$ \end{solution} \part $\lnot(p_1\rightarrow(p_2\wedge p_3))$ für die $B_R$-Belegung mit $B(p_1)=\mathbb{R}, B(p_2)=[1,\pi]$ und $B(p_3)=[3,42]$ \begin{solution} $B(\lnot(p_1\rightarrow(p_2\wedge p_3)))=\mathbb{R}\backslash B(p_1\rightarrow (p_2\wedge p_3)) = \mathbb{R}\backslash(B(p_2\wedge p_3)\cup(\mathbb{R}\backslash B(p_1))) = \mathbb{R}\backslash[(B(p_2)\cap B(p_3))\cup(\mathbb{R}\backslash B(p_1))]= \mathbb{R}\backslash[[1,\pi]\cap [3,42]\cup\mathbb{R}\backslash\mathbb{R}]=\mathbb{R}\backslash[3,\pi]$ \end{solution} \part $p_1\rightarrow(p_2\wedge p_3)$ für die $H_{mathbb{R}}$-Belegung mit $B(p_1)=\mathbb{R}_{>0}, B(p_2)=(-10,5)$ und $B(p_3)=(-20,-3)$ \begin{solution} $B(p_1\rightarrow (p_2\wedge p_3))= Inneres(B(p_2\wedge p_3), \mathbb{R}\backslash B(p_1))= Inneres(B(p_1)\cap B(p_2), \mathbb{R}\backslash B(p_1))= Inneres(\mathbb{R}_{\leq 0}) = \mathbb{R}_{< 0}$ \end{solution} \end{parts} \question Bearbeiten Sie die folgenden Teilaufgaben \begin{parts} \part Entscheiden Sie welche der folgenden Paare $\Gamma\Vdash_W \varphi$ erfüllen. Beweisen Sie Ihre Behauptung zum Beispiel durch Angabe einer Wahrheitstabelle. \begin{subparts} \subpart $\Gamma=\{p_1\rightarrow p_1\}, \varphi=p_1, W\in\{B,K_3\}$ \begin{solution} \begin{tabular}{c|c|c|c|c|c} $p_1$ & $p_2$ & $p_1\rightarrow p_2$ & $\Gamma= inf\{p_1\rightarrow p_2, \varphi\}$ & $\Gamma\vdash p_2$ \\\hline 0 & 0 & 1 & 0 & \cmark \\ 0 & $\frac{1}{2}$ & 1 & 0 & \xmark \\ 0 & 1 & 1 & 0 & \cmark \\ $\frac{1}{2}$ & 0 & 0 & $\frac{1}{2}$ & \xmark \\ $\frac{1}{2}$ & $\frac{1}{2}$ & $\frac{1}{2}$ & $\frac{1}{2}$ & \cmark \\ $\frac{1}{2}$ & 1 & $\frac{1}{2}$ & 0 & \cmark \\ 1 & 0 & 0 & 0 & \cmark \\ 1 & $\frac{1}{2}$ & $\frac{1}{2}$ & $\frac{1}{2}$ & \cmark \\ 1 & 1 & 1 & 1 & \cmark \end{tabular} B Tautologie, keine $K_3$ Tautologie \end{solution} \subpart $\Gamma=\{p_1\rightarrow p_2, p_1\}, \varphi=p_2, W\in\{B,K_3\}$ \begin{solution} \begin{tabular}{c | c | c | c} $p_1$ & $p_2$ & $p_1\rightarrow p_2$ & $p_1\rightarrow p_2\Vdash p_2$ \\\hline w & w & w & w \\ w & $0.5$ & w & w \\ w & f & f & w \\ $0.5$ & w & w & w \\ $0.5$ & $0.5$ & w & w \\ $0.5$ & f & f & w \\ f & w & w & f \\ f & $0.5$ & w & f \\ f & f & w & f \\ \end{tabular} \end{solution} \subpart $\Gamma=\{p_3\vee(p_1\wedge p_2)\}, \varphi=(p_3\vee p_1)\wedge(p_3\vee p_2), W\in\{B\}$ \begin{solution} \begin{tabular}{c | c | c | c | c | c | c | c | c} $p_1$ & $p_2$ & $p_3$ & $p_1\wedge p_2$ & $p_3\vee(p_1\wedge p_2)$ & $p_3\vee p_1$ & $p_3\vee p_2$ & $(p_3\vee p_1)\wedge(p_3\vee p_2)$ & $p_3\vee(p_1\wedge p_2) \Vdash (p_3\vee p_1)\wedge(p_3\vee p_2)$ \\\hline w & w & w & w & w & w & w & w & $\leftrightarrow$ \\ w & w & f & w & w & w & w & w & $\leftrightarrow$ \\ w & f & w & f & w & w & w & w & $\leftrightarrow$ \\ w & f & f & f & f & w & f & f & $\leftrightarrow$ \\ f & w & w & f & w & w & w & w & $\leftrightarrow$ \\ f & w & f & f & f & f & w & f & $\leftrightarrow$ \\ f & f & w & f & w & w & w & w & $\leftrightarrow$ \\ f & f & f & f & f & f & f & f & $\leftrightarrow$ \\ \end{tabular} \end{solution} \end{subparts} \part Entscheiden Sie für $W\in\{B,K_3\}$, welche der folgenden Formeln W-Tautologie sind. Beweisen Sie Ihre Behauptung. \begin{subparts} \subpart $\lnot(p_1\wedge \lnot p_1)$ \begin{solution} $B[\lnot(p_1\wedge \lnot p_2)]=1_b -inf\{B(p_1), -B(p_1)\}=1_B-0_B=1_B \Rightarrow$ B Tautologie für $K_3$ betrachte Belegung $B=\frac{1}{2}$ $K[\lnot(p_1\wedge\lnot p_1)]= 1_b -inf\{B(p_1), -B(p_1)\} = 1-\frac{1}{2} \Rightarrow$ keine $K_3$ Tautologie %$B((p_1\vee p_2)\rightarrow(p_2\wedge p_3) = max(B(p_2\wedge p_3), 1-B(p_1\vee p_2)) = max(min(B(p_2),B(p_3)), 1-max(B(p_1),B(p_2))) = max(min(0.7,1),1-max(0.5,0.7)) = 0.7$ $\Rightarrow Tautologie$ \end{solution} \subpart $\lnot(p_1\wedge\bot)$ \begin{solution} \begin{tabular}{c | c | c} $p_1$ & $p_1\wedge \bot$ & $\lnot(p_1\wedge \bot)$ \\\hline w & f & w \\ f & f & w \end{tabular} $\Rightarrow Tautologie$ \end{solution} \subpart $(p_1\vee p_2 \vee p_3)\rightarrow(p_1\rightarrow(p_2\rightarrow p_3))$ \begin{solution} \begin{tabular}{c | c | c | c | c | c | c} $p_1$ & $p_2$ & $p_3$ & $A=p_1\vee p_2\vee p_3$ & $p_2\rightarrow p_3$ & $B=p_1\rightarrow(p_2\rightarrow p_3)$ & $A\rightarrow B$ \\\hline w & w & w & w & w & w & w \\ w & w & f & w & f & f & w \\ w & f & w & w & w & w & w \\ w & f & f & w & w & w & w \\ f & w & w & w & w & w & w \\ f & w & f & w & f & w & w \\ f & f & w & w & w & w & w \\ f & f & f & f & w & w & w \end{tabular} $\Rightarrow Tautologie$ \end{solution} \end{subparts} \end{parts} \question Wir erweitern die Aussagenlogik um den zweistelligen Operator $\bar{\wedge}$ (nicht . . . und . . . ). \begin{parts} \part Überlegen Sie sich, wie Sie eine Aussage ,,nicht ($\varphi$ und $\psi$ )'' beweisen bzw. in einem Beweis verwenden würden und geben Sie entsprechende Regeln $(\bar{\wedge}I)$ und ($\bar{\wedge}E$) an. Hinweis: Orientieren Sie sich für $(\bar{\wedge}E$) an der Regel ($\vee E$) und nutzen Sie, dass $\varphi\bar{\wedge}\psi\equiv\lnot \varphi\vee\lnot\psi$. \begin{solution} \begin{tabular}{c | c | c} $\varphi$ & $\psi$ & $\varphi\bar{\wedge}\psi$ \\\hline w & w & f \\ w & f & w \\ f & w & w \\ f & f & w \end{tabular} \begin{prooftree} \AxiomC{$\lnot\varphi$} \RightLabel{\scriptsize ($\bar{\wedge} I_1$)} \UnaryInfC{$\lnot(\varphi \wedge\psi)$} \end{prooftree} \begin{prooftree} \AxiomC{$\lnot\psi$} \RightLabel{\scriptsize ($\bar{\wedge} I_2$)} \UnaryInfC{$\lnot(\varphi \wedge\psi)$} \end{prooftree} \begin{prooftree} \AxiomC{$\lnot(\varphi \wedge\psi)$} \RightLabel{\scriptsize ($\bar{\wedge} E_1$)} \UnaryInfC{$\varphi$} \end{prooftree} \begin{prooftree} \AxiomC{$\lnot(\varphi \wedge \psi)$} \RightLabel{\scriptsize ($\bar{\wedge} E_2$)} \UnaryInfC{$\psi$} \end{prooftree} \end{solution} \part Verwenden Sie die Regel aus Aufgabenteil (a), um zu zeigen, dass $p_1\bar{\wedge}\lnot p_1$ ein Theorem ist. \begin{solution} \begin{tabular}{c | c | c | c} $p_1$ & $\lnot p_1$ & $p_1\wedge \lnot p_1$ & $\lnot(p_1\wedge \lnot p_1)$ \\\hline w & f & f & w \\ f & w & f & w \end{tabular} \end{solution} \part Beschreiben Sie die Semantik des Operators durch Angabe einer Funktion $\bar{\wedge}_W$ wie auf den Folien 3.9ff für die Wahrheitswertebereiche $W\in\{B,B_R,K_3,F\}$. \begin{solution} \begin{description} \item[Wahrheitswertebereich $B$] $a \bar{\wedge}_W b = \lnot(a\wedge b) = \lnot(max(a,b))$ \item[Wahrheitswertebereich $B_\mathbb{R}$] $a \bar{\wedge}_W b = \lnot(a\wedge b) = \lnot(a\cup b)$ \item[Wahrheitswertebereich $K_3$] $a \bar{\wedge}_W b = \lnot(a\wedge b) = \lnot(max(a,b))$ \item[Wahrheitswertebereich $F$] $a \bar{\wedge}_W b = \lnot(a\wedge b) = \lnot(max(a,b))$ \end{description} \end{solution} \part Überprüfen Sie, ob die Formel $(p_1\rightarrow p_2)\bar{\wedge}\lnot p_1$ eine W-Tautologie ist für $W\in\{B,K_3,B_R\}$. \begin{solution} \begin{tabular}{c | c | c | c | c} $p_1$ & $p_2$ & $p_1\rightarrow p_2$ & $\lnot p_1$ & $(p_1\rightarrow p_2)\bar{\wedge}\lnot p_1$ \\\hline w & w & w & f & w \\ w & $0.5$ & w & f & w \\ w & f & f & f & w \\ $0.5$ & w & w & $0.5$ & f \\ $0.5$ & $0.5$ & w & $0.5$ & f \\ $0.5$ & f & f & $0.5$ & w \\ f & w & w & w & f \\ f & $0.5$ & w & w & f \\ f & f & w & w & f \end{tabular} $\not\Rightarrow Tautologie$ \end{solution} \part Angenommen wir erweitern die Regeln des natürlichen Schließens um $(\bar{\wedge}I)$ und $(\bar{\wedge}E)$. Geben Sie zum Beweis des Korrektheitslemmas für das natürliche Schließen und den Wahrheitswertebereich $B$ den Induktionsschritt für diese Regeln an. \begin{solution} \end{solution} \part Zeigen Sie per vollständiger Induktion über den Formelaufbau, dass es zu jeder aussagenlogischen Formel $\varphi$ eine Formel $\psi$ gibt, die nur $\bar{\wedge}$ als Operator enthält und äquivalent zu $\varphi$ ist, $\varphi\equiv\psi$. \begin{solution} \end{solution} \end{parts} \question Zeigen Sie (kurz) die folgenden Aussagen. \begin{parts} \part Die Formelmenge $\{\varphi\}$ ist erfüllbar genau dann, wenn $\lnot\varphi$ kein Theorem ist. \begin{solution} %$\varnothing\not\vdash\lnot\varphi \Vdash \{\varphi\}$ $\lnot\varphi$ Theorem $\leftrightarrow$ $\lnot\varphi$ B Tautologie $\leftrightarrow B(\lnot \varphi)=1-B(\varphi)=1 \quad\forall$ B Bedingung $\leftrightarrow \{\varphi\}$ erfüllbar \end{solution} \part Wenn $\varphi$ eine F-Tautologie ist, dann ist $\bot$ eine Teilformel von $\varphi$. \begin{solution} %$\Gamma\Vdash_F \rightarrow \varphi\rightarrow\bot$ zeige $\bot$ keine Teilformel von $\varphi\rightarrow\varphi$ keine $K_3$ Tautologie. Idee: betrachte $K_3$ Belegung $B=\frac{1}{2}$, zeige $B(\varphi)=\frac{1}{2}$ induktiv \end{solution} \part Das natürliche Schließen ist auch ohne die Regel $(\bot)$ vollständig. \begin{solution} ersetzte Deduktion durch Falsum \end{solution} \part Für jede aussagenlogische Formel $\varphi$ gibt es unendlich viele, paarweise verschiedene, äquivalente Formeln. \begin{solution} definiere Folge $(\varphi)_{i=N}$ mit $\varphi_1=\varphi$ und $\varphi_{i+1}=\varphi_i +\varphi$ Idee: Kombination der Menge mit beliebige u.u. unendlich vielen Formeln $\lnot\bot$ unendlich viele, da $\wedge(\lnot\bot)$ unendlich oft zusammenhängen kann paarweise verschieden, da $\phi(\wedge(\lnot\bot))^n \not=\phi(\wedge(\lnot\bot))^m$ äquivalent: $\wedge(\lnot\bot)$ ändert den Wert einer Formel nicht \end{solution} \end{parts} \question Sei $T=(V,E,w)$ ein endlich verzweigter Baum mit Wurzelwund unendlich vielen Knoten. \begin{parts} \part Beschreiben Sie mit einer Formelmenge $\Gamma_T$, dass in $T$ ein unendlicher Pfad von der Wurzel aus existiert. Verwenden Sie atomare Formeln $\{p_v|v\in V\}$, wobei $p_v$ die intendierte Bedeutung „der Knoten $v$ liegt auf einem unendlichen Pfad von der Wurzel aus“ hat.\\ Hinweis: D.h. $\Gamma_T$ ist eine Formelmenge, sodass die unendlichen Pfade von $w$ aus in $T$ genau die sind, die die Form $\{v|B(p_v)=1\}$ haben für eine passende Belegung $B$ mit $B(\gamma)=1$ für alle $\gamma\in\Gamma_T$. \begin{solution} \end{solution} \part Verwenden Sie den Kompaktheitssatz der Aussagenlogik um zu beweisen, dass $T$ einen unendlichen Pfad von der Wurzel aus besitzt.\\ Hinweis: Zeigen Sie zunächst, dass $T$ beliebig lange Pfade von der Wurzel aus besitzt. \begin{solution} \end{solution} \end{parts} \question Bearbeiten Sie die folgenden Teilaufgaben! \begin{parts} \part Überprüfen Sie mittels Makierungsalgorithmus, ob die unten angegebene Folgerung gilt. $$p_1\wedge (p_2\vee \lnot p_3\vee \lnot p_5)\wedge (\lnot p_1\vee p_3)\wedge (\lnot p_3\vee p_4)\wedge (\lnot p_1\vee p_2)\Vdash p_5$$ \begin{solution} Markierungsalgorithmus M: \begin{itemize} \item Eingabe: Menge von Hornklauseln (Negationen auf linke Seite, Positive auf Rechte) \item Ausgabe: $M(\Gamma)=$ erfüllbar $\leftrightarrow \Gamma$ erfüllbar \item Grundlage: $\Gamma\Vdash\varphi \leftrightarrow \Gamma\cup\{\lnot\varphi\}$ unerfüllbar \end{itemize} \begin{itemize} \item $\{ (p_1), (p_2\vee \lnot p_3\vee \lnot p_5), (\lnot p_1\vee p_3), (\lnot p_3\vee p_4), (\lnot p_1\vee p_2), \lnot p_5\}$ \item Hornklauseln \begin{enumerate} \item $\lnot\bot\rightarrow p_1$ \item $p_3\wedge p_5\rightarrow p_2$ \item $p_1\rightarrow p_3$ \item $p_3\rightarrow p_4$ \item $p_1\rightarrow p_2$ \item $p_5\rightarrow \bot$ \end{enumerate} \item Markier-Algorithmus \begin{itemize} \item $p_1$ für 1. \item $p_3,p_4$ für 3.,5. \item $p_4$ für 4. \item keine Terme übrig, allg. Terminiert mit ,,erfüllbar'' \end{itemize} \item erfüllbar $\rightarrow$ Folgerung falsch $\rightarrow \Gamma\not\Vdash\varphi$ \end{itemize} \end{solution} \part Überprüfen Sie mittels Makierungsalgorithmus, ob die folgende Formel eine Tautologie ist. $$(p_1\wedge\lnot p_2\wedge p_3)\vee(p_4\wedge\lnot p_1)\vee(p_2\wedge\lnot p_4)\vee\lnot p_2\vee p_4$$ \begin{solution} \begin{itemize} \item $\varphi$ Tautologie $\leftrightarrow \{\lnot\varphi\}$ unerfüllbar \item $\phi = (p_1\wedge\lnot p_2\wedge p_3)\vee(p_4\wedge\lnot p_1)\vee(p_2\wedge\lnot p_4)\vee\lnot p_2\vee p_4$ \item $\lnot\phi=(\lnot p_1\vee p_2\vee\lnot p_3)\wedge(\lnot p_4\vee p_1)\wedge(\lnot p_2\vee p_4)\wedge p_2\wedge\lnot p_4$ \item Hornklauseln \begin{enumerate} \item $p_1 \wedge p_3 \rightarrow p_2$ \item $p_4 \rightarrow p_1$ \item $p_2 \rightarrow p_4$ \item $\lnot\varnothing\rightarrow p_2$ \item $p_4\rightarrow\bot$ \end{enumerate} \item Markier-Algorithmus \begin{itemize} \item $p_2$ für 4. \item $p_4$ für 3. \item wegen 5. bricht Algorithmus ab mit unerfüllbar \end{itemize} \item Ausgabe unerfüllbar da $p_4\rightarrow\bot$, also ist $\phi$ Tautologie \end{itemize} \end{solution} \end{parts} \question Bearbeiten Sie die folgenden Teilaufgaben! \begin{parts} \part Überprüfen Sie mittels SLD-Resolution, ob die unten angegebene Folgerung gilt. $$p_1\wedge(\lnot p_1\vee\lnot p_2\vee p_4)\wedge(\lnot p_1\vee p_3\vee\lnot p_4)\wedge(p_6\vee\lnot p_3)\wedge(\lnot p_2\vee p_5\vee\lnot p_6)\Vdash\lnot p_2\vee(p_4\wedge p_5)$$ \begin{solution} SLD Resolution für $B(M_1\rightarrow\bot, M_2\rightarrow\bot,...,M_n\rightarrow\bot)$ mit $M_n\rightarrow\bot\in\Gamma$ und $M_{ind}=M_n\wedge\{\varphi\}\wedge N$ für $N\rightarrow\varphi\in\Gamma$. $M_n=\varnothing\Leftrightarrow\Gamma$ unerfüllbar \begin{itemize} \item Horn-Klauseln \begin{enumerate} \item $\varnothing \rightarrow p_1$ \item $p_1 \wedge p_2\rightarrow p_4$ \item $p_1 \wedge p_4\rightarrow p_3$ \item $p_3 \rightarrow p_6$ \item $p_6 \wedge p_2 \rightarrow p_5$ \item $\lnot\bot\rightarrow p_2$ \item $p_4\wedge p_5\rightarrow \bot$ \end{enumerate} \item SLD Mengen \begin{itemize} \item aus 7.: $M_1=\{p_4,p_5\}$ \item aus 5.: $M_2=\{p_2,p_4,p_6\}$ \item aus 4.: $M_3=\{p_2,p_3,p_4\}$ \item aus 3.: $M_4=\{p_1,p_2,p_4\}$ \item aus 2.: $M_5=\{p_1,p_2\}$ \item aus 1.+6.: $M_6=\varnothing$ \end{itemize} \item $M=\varnothing\rightarrow \Gamma$ unerfüllbar $\rightarrow \varphi_{links}\Vdash\varphi_{rechts}$ \end{itemize} \end{solution} \part Überprüfen Sie mittels SLD-Resolution, ob die folgende Formel eine Tautologie ist. $$(p_2\wedge\lnot p_1\wedge p_3)\vee(p_4\wedge p_1\wedge p_3)\vee(\lnot p_4\wedge p_1\wedge p_2)\vee\lnot p_3\vee\lnot p_2$$ \begin{solution} \begin{itemize} \item Invertiere Formel für SLD \item Horn-Klauseln \begin{enumerate} \item $p_2 \wedge p_3 \rightarrow p_1$ \item $p_1 \wedge p_3 \wedge p_4 \rightarrow\bot$ \item $p_1 \wedge p_2 \rightarrow p_4$ \item $\lnot\bot\rightarrow p_3$ \item $\lnot\bot\rightarrow p_2$ \end{enumerate} \item SLD Mengen \begin{itemize} \item aus 2.: $M_1=\{p_1,p_3,p_4\}$ \item aus 1.: $M_2=\{p_2,p_3,P_4\}$ \item aus 3.: $M_3=\{p_1,p_2,p_3\}$ \item aus 1.: $M_4=\{p_2,p_3\}$ \item aus 4.+5.: $M_5=\varnothing$ \end{itemize} \item $M=\varnothing\rightarrow \{\lnot\varphi\}$ unerfüllbar $\rightarrow \varphi$ Tautologie \end{itemize} \end{solution} \end{parts} \question Leiten Sie die folgenden Äquivalenzen her, Sie können die Äquivalenzen auf Folie 5.13 verwenden. \begin{parts} \part $a\rightarrow b \equiv \lnot b\rightarrow \lnot a$ \begin{solution} $a\rightarrow b \equiv \lnot a\vee b\equiv b\vee\lnot a\equiv \lnot\lnot b\vee\lnot a\equiv \lnot b\rightarrow \lnot a$ \end{solution} \part $a\vee (a\wedge b)\equiv a$ \begin{solution} nutze $\alpha=\beta$ gdw $\alpha\leftrightarrow\beta$ ist Theorem, gdw $\alpha\rightarrow\beta, \beta\rightarrow\alpha$ Theoreme \end{solution} \part $\lnot a \rightarrow \bot \equiv a$ \begin{solution} $\lnot a\rightarrow \bot \equiv \lnot\lnot a\vee \bot\equiv a\vee \bot\equiv a\vee(a\wedge\lnot a)\equiv a$ \end{solution} \end{parts} \question Sei $A$ eine endliche Menge. Der Wahrheitswertebereich $B_A$ hat die Form $(2^A,\subseteq,\rightarrow_2 A,\lnot_2 A)$ mit $\lnot B_A(X)=A\backslash X$ und $\rightarrow B_A(X,Y)=(A\backslash X)\cup Y$. Zeigen Sie, dass natürliches Schließen für jeden Wahrheitswertebereich $B_A$ korrekt ist. Hinweis: Führen Sie die Korrektheit für Wahrheitswertebereiche der Form $B_A$ auf die Korrektheit für den Boole’schen Wahrheitswertebereich zurück. \begin{solution} \end{solution} \question Beweisen oder widerlegen Sie die folgenden Aussagen! \begin{parts} \part Aus $\Gamma\not\Vdash_W \phi$ folgt $\Gamma\Vdash_w\lnot\phi$ für jeden Wahrheitswertebereich $W$. \begin{solution} $\Gamma=\{\lnot\bot\}$, $\varphi=p$, $W=K_3$, $K_3$ Belegung $B=\frac{1}{2}$ $\rightarrow inf\ B[\Gamma]=1$ und $B(\varphi)=B(p)=\frac{1}{2}\rightarrow f\not\Vdash_{k_3} \varphi, \lnot\varphi$ \end{solution} \part Es gibt eine Menge aussagenlogischer Formeln $\Gamma$ und eine Formel $\phi$ mit $\Gamma\vdash\phi$ und $\Gamma\vdash\lnot\phi$. \begin{solution} $\Gamma=\{\bot\}, \varphi$ beliebig, z.b. $\varphi=\bot$ \end{solution} \part Angenommen, es gäbe eine aussagenlogische Formel $\phi$ mit $\varnothing\vdash\phi$ und $\varnothing\vdash\lnot\phi$. Dann ist jede aussagenlogische Formel ein Theorem. \begin{solution} betrachte $\psi$, ist Deduktion für $\varnothing\rightarrow\psi\rightarrow\psi$ Theorem \end{solution} \end{parts} \question Der Schnitt zweier $B$-Belegungen $B_1, B_2$ sei $B_1\cap B_2$, wobei $B_1\cap B_2(pi)=min(B_1(p_i),B_2(p_i))$ für alle atomarenFormeln $p_i$. \begin{parts} \part Zeigen Sie, dass Belegungen, die Horn-Formeln erfüllen unter Schnitt abgeschlossen sind, dass also für jede Horn-Formel $\phi$ und $B$-Belegungen $B_1,B_2$ gilt: Wenn $B_1(\phi)=1$ und $B_2(\phi)=1$, dann auch $B_1\cap B_2(\phi)=1$. \begin{solution} \end{solution} \part Verwenden Sie Aufgabenteil (a) um zu zeigen, dass $\phi=\lnot(p_1\wedge p_2)\rightarrow(p_3\vee p_4))$ keine Horn-Formel ist. \begin{solution} \end{solution} \end{parts} \question Seien $x,y,z$ Variablen, $P$ ein einstelliges Relationssymbol, $Q$ ein zwei-stelliges Relationssymbol, $a$ ein null-stelliges Funktionssymbol und $f$ ein einstelliges Funktionssymbol. Geben Sie die freien Variablen der folgenden Formeln an. Welche der Formeln sind Sätze? \begin{parts} \part $\forall x:Q(x,x)\rightarrow\exists x:Q(x,y)$ \begin{solution} y frei $\rightarrow$ kein Satz \end{solution} \part $P(f(x))\rightarrow\exists x:P(x)$ \begin{solution} x vorn frei $\rightarrow$ kein Satz \end{solution} \part $P(a)\vee P(f(a))$ \begin{solution} keine freien Variablen $\rightarrow$ ist Satz \end{solution} \part $\exists z:(Q(z,x)\vee Q(y,z))\rightarrow\exists y:(Q(x,y)\wedge Q(x,z))$ \begin{solution} y vorn frei, z hinten frei $\rightarrow$ kein Satz \end{solution} \end{parts} \question Sei $X=\{x_1,...,x_n\}$ eine endliche, nicht-leere Menge von Variablen und $\sum'$ eine endliche Signatur mit Relationen $R_1,...,R_r$, Funktionen $f_1,...,f_k$ und $ar$ entsprechende Stelligkeitsfunktion. Wir können die Menge $PL(X)$ der prädikatenlogischen $\sum'$-Formeln mit Variablen aus $X$ als eine formale Sprache über dem Alphabet $\sum=\{\bot,\wedge,\vee,\rightarrow,\lnot,(,),\exists,\forall,=\}\cup\{,\}\cup X \cup \sum'$ auffassen. Geben Sie eine kontextfreie Grammatik für $PL(X)$ an. \begin{solution} $$G = (\{F, X', A, T\}, \sum, P, F)$$ $F\rightarrow A|(F\wedge F)|(F\wedge F)|(F\rightarrow F)|\lnot F| \forall X'F | \exists X'F$ $X'\rightarrow x_1 | ... | x_n$ $A\rightarrow \bot | T=T | R_1(T,...,T) | ... | R_r(T,...,T)$ ($R_1(T,...T) \rightarrow T,...,T = ar(R_1)$) $T\rightarrow X' | f_1(T,...,T) | ... | f_k(T,...,T)$ \end{solution} \question Geben Sie für jedes der folgenden Graphenpaare $G1,G2$ einen prädikatenlogischen Satz an, sodass $G1$ Modell für diese Formel ist, $G2$ aber nicht. \begin{center} \includegraphics[width=.5\linewidth]{Assets/Logik-uebung6.png} \end{center} \begin{solution} a) $\exists u,u': (v\not=v' \wedge \lnot E(v,v'))$ b) $\exists v,w,w': (E(v,w) \wedge E(v,w') \wedge E(w,w') \wedge v\not=w\not=w')$ c) $\lnot\exists v: E(v,v))$ d) $\exists v: \forall v': \lnot E(v,v')$ \end{solution} \question Sei $\Gamma$ die Signatur bestehend aus einem zwei-stelligen Relationssymbol $\in$. Für eine Menge von Mengen $M$ definieren wir die Struktur $S$ mit $U_S=M$ und $\in^S=\in$. Geben Sie für jede der folgenden Aussagen eine Formel an, die diese beschreibt. \begin{parts} \part Es gibt eine Menge, die keine Menge enthält. \begin{solution} $\exists M: \forall x: \lnot(x\in M)$ \end{solution} \part Für alle Mengen $A$ , $B$ gibt es eine Menge, die genau $A$ und $B$ enthält. \begin{solution} $\forall A,B:\exists C:\forall D: (D\in C\Leftrightarrow ((D=A)\vee(D=B)))$ \end{solution} \part Für jede Menge $A$ gibt es eine Menge $B$, die genau die Elemente der Elemente der Menge $A$ enthält. \begin{solution} $\forall A:\exists B:\forall C:(C\in B \Leftrightarrow \exists D:(D\in A\wedge C\in D))$ \end{solution} \end{parts} \question Sei $\Gamma$ die Signatur bestehend aus einem zwei-stelligen Relationssymbol $E$. Für einen (gerichteten) Graphen $G=(V,E)$ definieren wir dann die Struktur $G$ mit $V=U_G$ und $E=E^G$. Welche der folgenden Aussagen sind sind wahr? Begründen Sie Ihre Aussage! \begin{parts} \part $\{\exists x\exists y\exists z:(E(x,y)\wedge E(y,z)\wedge E(z,x))\}$ ist erfüllbar. \begin{solution} wahr: Steht ein erstes Element zu einem zweiten Element und dieses wiederum zu einem dritten Element in Relation, so steht auch das erste Element zum dritten Element in Relation. Z.B. folgt aus $a < b$ und $b