定理一: 假設
φ
1, ..., φ
k是Genzen 系統中的一個推論,其中第 i 行 φ
i所 用到未釋放的前提是Γ
i。那麼Γ
k ٧ φk成立。證明:我們用數學歸納法證明對任何的i (1 ≤ i ≤ k),Γi ٧ φi 都會成立。
當i=1 時,Γ1就是 {φ1}(因為第 1 行一定是個假設,所以 φ1用到 的假設就是它自己)。因此 {φ1}٧ φ1 顯然成立。
假設:對於所有小於或等於j 的 i 而言,Γi ٧ φi 都成立。宣稱:對於 j+1 而言,Γj+1 ٧ φj+1 也會成立。
要證明這個宣稱,我們可以區分不同的情況逐項討論。
情況1:φj+1是一個「假設」。這時φj+1的未釋放前提Γj+1包含了φj+1 本身,也就是說 φj+1א Γj+1,因此Γj+1 ٧ φj+1 成立。
情況2:φj+1是透過(MP)推論規則得來。這表示會有某個 m 與 n,
1 ≤ m ≤ j 且 1 ≤ n ≤ j,使得 φj+1是透過(MP)從 φm 與φn 推來的,而其 中φm = φn ـ φj+1。根據歸納法假設,Γm ٧ φm且Γn ٧ φn。但因為在第j+1 步時,φm與φn 都是可以使用的語式,因此 Γm كΓj+1 且 Γn كΓj+1。因此,
Γj+1 ٧ φm且Γj+1 ٧ φn。所以Γj+1 ٧ φj+1(因為 φm = φn ـ φj+1)。
情況3:φj+1是透過(MT)(Conj)(Simp)(DS)(HS)(Add)(CD)
(DN)(DeM)(Comm)(Assoc)(Dist)(Contra)(Impl)(Equiv)(Exp)
(Taut)等規則其中一條得來的。這時我們可以用類似情況 2 的方式,
證明Γj+1 ٧ φj+1也會成立。
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情況4:φj+1是透過「條件證法」(CP)得來。這表示會有某個 m (1 ≤ m ≤ j),使得 φj+1是從φm 的假設推到φj,然後用(CP)將 φm的假設釋放 得來,而φj+1 = φm ـ φj(見圖十九)。這時因為第j 步可以用的假設除了 在下一步被釋放的φm 之外,都是第 j+1 步可以用的假設,因此我們有 Γj ك Γj+1∪{φm}。根據歸納法假設,Γj ٧ φj成立,因此Γj+1 ∪{φm}٧ φj, 因此Γj+1 ٧ φm ـ φj,也就是Γj+1 ٧ φj+1。
圖十九:(CP)的使用
情況5:φj+1是透過「反證法」(RAA)得來。這時我們可以用類似 情況4 的方式,證明 Γj+1 ٧ φj+1也會成立。
情況 6:φj+1是透過(UG)得來。這表示 φj+1 是形如 (x)ψ(x) 的 語式,且是從之前某個第m 步中的 ψ(a) 透過(UG)得來(見圖二十)。
圖二十:(UG)的使用
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在這裡的「個例項」a 會滿足(UG)的限制(見圖六),也就是說,a 沒 有出現在 (x)ψ(x) 中,也沒有出現在未釋放的前提(即 Γj+1)中。因為 在第j+1 步時,第 m 步的 ψ(a) 是可以使用的語式,因此 Γm كΓj+1。根據 歸納法假設,Γm ٧ φm,也就是說Γm ٧ ψ(a),因此我們可推得 Γj+1 ٧ ψ(a)。
因為「個例項」a 沒有出現在 Γj+1或 (x)ψ(x) 中,因此我們可以進一步 推得Γj+1٧ (x)ψ(x)。
(證明:在傳統Tarski 語意下,我們要證明 Γj+1٧ (x)ψ(x),也就是 說,假設給定了任何的一個詮釋I,以及 I 上面的 variable assignment σ,
使得 σ 在 I 上面滿足 Γj+1中的語式,我們要證明σ 在 I 上面也會滿足 (x)ψ(x)。也就是說,我們要證明,對於 I 論域中的任何東西 d,σ[x/d] 在 I 上會滿足 ψ(x)。現在,對於 I 論域中的任何東西 d,我們都可以建構另 一個詮釋 I*,是與 I 完全相同但把 a 的語意值換成 d。因為 a 沒有出現 在 Γj+1或 (x)ψ(x) 中,我們很容易可以證明,Γj+1∪{(x)ψ(x)} 中的語 式在I* 與 I 上會有一樣的真假值。這表示 σ 在 I*上面也會滿足 Γj+1中的 語式,因此從Γj+1 ٧ ψ(a) 我們可推得 σ 在 I*上面也會滿足 ψ(a)。因此,
σ[x/d] 在 I*上會滿足 ψ(x)(因為 a 在 I*中的語意值是 d),因此σ[x/d] 在 I 上也會滿足 ψ(x)。故得證。)
情況 7:φj+1是透過(UI)或(EG)得來。這時我們可以用類似情 況6 的方式,證明 Γj+1 ٧ φj+1也會成立。
情況8:φj+1是透過(EI)得來。這表示之前在某個第 m 步中出現了 某個存在語句 (x)ψ(x),而在某個第 n 步時我們假設了 ψ(a),然後在第 j 步時推出了φj+1,並用(EI)把第 n 步的假設釋放(見圖二十一)。
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圖二十一:(EI)的使用
在這裡的「個例項」a 會滿足(EI)規則的限制(見圖七),也就是說,
a 沒有出現在未釋放的前提(即 Γj+1)中,也沒有出現在 (x)ψ(x) 或 φj+1
中。同樣的,因為第m 步是第 j+1 步可以用的語式,因此我們有 Γm ك Γj+1。 此外,因為第j 步可以用的假設除了在下一步被釋放的 ψ(a) 之外,都是 第j+1 步可以用的假設,因此我們有 Γj ك Γj+1∪{ψ(a)}。根據歸納法假設,
Γm ٧ φm 與Γj ٧ φj成立,也就是 Γm ٧ (x)ψ(x) 且 Γj ٧ φj+1,因此我們可以 推得Γj+1 ٧ (x)ψ(x) 與 Γj+1∪{ψ(a)} ٧ φj+1。因此,Γj+1∪{φj+1} ٧ ψ(a)。
而因為 a 沒有出現在 Γj+1中,也沒有出現在 (x)ψ(x) 或 φj+1 中,如同 情況6 中的證明,我們可以推得 Γj+1∪{φj+1} ٧ (x)ψ(x)。因此,
Γj+1∪{(x)ψ(x)} ٧ φj+1,因此Γj+1٧ (x)ψ(x) ـ φj+1。但因為Γj+1 ٧ (x)ψ(x) 成立,所以Γj+1٧ φj+1 成立。
現在,我們已經窮盡所有的情況,因此我們證明了我們的宣稱Γj+1٧ φj+1 在所有的情況下都成立。所以根據數學歸納法,對任何的i (1 ≤ i ≤ k),
Γi ٧ φi都會成立。