Моделирование рассуждений. Опыт анализа мыслительных актов

«Логик-теоретик»

Так была названа программа для ЭВМ, созданная в середине шестидесятых годов американским кибернетиком А. Ньюэллом в содружестве с психологом Г. Саймоном. Она была предназначена для доказательства теорем в исчислении высказываний, т.е. для поиска обоснования тождественной истинности некоторых утверждений. Для того чтобы перейти к описанию программы «Логик-теоретик», введем предварительно понятие о равенстве двух выражений исчисления высказываний. Будем говорить, что выражения ƒ1 и ƒ2 равны между собой, и записывать этот факт обычным образом ƒ1=ƒ2, если на всех возможных наборах интерпретации истинности входящих в них элементарных высказываний истинность ƒ1 и ƒ2 одинакова.

Появление знака равенства, которого не было в исчислении высказываний, не должно нас смущать. Его легко можно исключить из рассмотрения, введя формулу ((ƒ1&ƒ2)

«Логик-теоретик» должен был доказывать справедливость утверждений вида ƒ1=ƒ2 для различных ƒ1 и ƒ2. Однако авторы «Логика-теоретика» не пошли по прямому пути. Не стали строить таблицы для ƒ1 и ƒ2 и проверять совпадение истинности ƒ1 и ƒ2 на всех возможных интерпретациях истинности их аргументов. Ведь с ростом числа аргументов n число строк в этих таблицах растет как 2n. А. Ньюэлл и Г. Саймон пошли по пути приближения процедуры доказательства к тому, как это делают люди.

В основу процесса доказательства они положили идею ликвидации различий в формульной записи ƒ1 и ƒ2. Авторы программы составили перечень из шести различий.

1. В ƒ1 и ƒ2 различное число членов в формулах. Например, ƒ1=α

2. В ƒ1 и ƒ2 имеется различие в основной связке (т.е. в связке, которая выполняется последней). Например, ƒ1=(αβ)

3. Перед всем выражением для ƒ1(ƒ2) стоит знак отрицания, а перед ƒ2(ƒ1) его нет. Например, ƒ1=

4. Аналогичное различие, но оно касается не всего выражения для ƒi (i=1,2), а некоторого его подвыражения.

5. Скобки в ƒ1 расставлены не так, как в ƒ2. Например, ƒ1=α

6. Записи для ƒ1 и ƒ2 отличаются порядком следования подвыражений. Например, ƒ1=(αβ)

Для того чтобы иметь возможность ликвидировать подобные различия, используются 12 преобразований формул исчисления высказываний. Первые семь преобразований носят тождественный характер, т.е. не меняют истинного значения преобразуемых формул. Последние пять верны только при условии, что левая часть их является тождественно истинной (T-выражением).

В преобразованиях использованы большие латинские буквы, которые могут соответствовать любым подвыражениям формул ƒ1 и ƒ2. Стрелки

С помощью этих преобразований можно устранять различия между ƒ1 и ƒ2, которые мы перечислили выше. Укажем в специальной табл. 4 классы преобразований F1, которые можно использовать для устранения различий. Первое различие разделено на два: различие 1’ требует добавления выражений в формулу, а различие 1’’ – вычеркивания из формулы лишних выражений.

Таблица 4

Крестики поставлены там, где можно устранить различие с помощью соответствующего преобразования.

Покажем работу программы «Логик-теоретик» на несложном примере. Пусть требуется доказать равенство ƒ1=ƒ2, имеющее вид

Применим к ƒ1 первое преобразование из F7 справа налево. Выбор F7 определяется различием ƒ1 и ƒ2. Из ƒ1 необходимо убрать лишнее подвыражение С, которого нет в ƒ2. После этого получим

Поскольку в ƒ1 осталось еще выражение С, которого нет справа, то снова фиксируется различие 1’’ и ищется подходящее преобразование. Таким преобразованием является четвертое из F7. Но для его применения надо сначала использовать преобразование F1 для устранения различия 6. После этого, применяя четвертое преобразование из F7, получаем

Теперь можно применить второе преобразование из F7:

Четвертое преобразование из F7 приводит к окончательному результату

Пример, конечно, не отражает всех особенностей работы программы «Логик-теоретик». Мы несколько упростили задачу. Как видно из таблицы различий, выбор преобразования на каждом шаге далеко не однозначен. В формулах могут существовать одновременно несколько различий, а для ликвидации различия можно использовать несколько преобразований. Всякий вывод, как бы он не был организован, носит переборный характер. И успешность того или иного выбора преобразования не может быть оценена локально, в момент выбора. Поэтому программа вынуждена перебирать варианты, заходить в тупики, проходить циклы прежде, чем она сможет найти правильный путь решения. Повышение эффективности процесса вывода – центральная проблема всех автоматизированных систем дедуктивного вывода.

Исчисление предикатов

Исчисление высказываний не позволяет описывать дедуктивные рассуждения всех типов, в частности силлогистические умозаключения. Оно слишком бедно выразительными средствами.

Его естественным развитием является исчисление предикатов. Как и исчисление высказываний, исчисление предикатов представляет собой формальную систему. Мы не будем описывать его в такой строгой форме (любители строгости могут найти подобные описания в литературе к данному разделу), а попытаемся оставаться на содержательном уровне описания.

Под предикатом будем понимать некоторую связь, заданную на наборе из констант или переменных, например утверждение «υ больше ω». Если семантика υ и ω не задана, то о предикате сказать особенно нечего. Пожалуй, только то, что он задает двуместное отношение, семантика которого такова, что оно является антирефлексивным (неверно, что «υ больше ω»), асимметричным и транзитивным. Но при задании семантики (т.е. областей определения переменных υ и ω) о предикате можно будет сказать существенно больше. Если υ и ω – площади городов соответственно в СССР и Японии, то при задании списков городов и означивании переменных константами мы получим отношение между двумя высказываниями типа «Площадь Вологды больше площади Токио» или «Площадь Ленинграда больше площади Нары». После этого становится возможным говорить об истинности или ложности предиката. Для нашего примера первое означивание дает ложное значение предиката, а второе – истинное. Иногда для утверждения об истинности или ложности предиката можно обойтись и без означивания. Например, если областью определения х являются целые положительные числа, то предикат «х больше −5» будет тождественно истинен.

В исчислении предикатов используются те же операции, что и в исчислении высказываний. С их помощью образуются предикатные формулы. Будем обозначать предикаты большими латинскими буквами. Примерами предикатных формул могут служить Р(х,у)&Q(a,b) или

В исчислении предикатов используются два квантора: квантор общности и квантор существования. Первый обозначается как

Вспомним И.А. Крылова: «А вы, друзья, как ни садитесь, все ж в музыканты не годитесь!». Обозначим через Р(х,у) предикат, который связывает между собой способ рассаживания участников квартета и качество исполняемой ими музыки. Предикат Р(х,у) становится истинным лишь тогда, когда найдено такое взаимное расположение зверей в квартете, что качество музыки позволяет назвать исполнителей музыкантами. При этих условиях цитате из басни «Квартет» соответствует формула

А вот Ф. Тютчев: «Бывают роковые дни лютейшего телесного недуга и страшных нравственных тревог…». Если Q(u,v) есть предикат, в котором переменная u определена на множестве дней, а переменная v на области настроений, связанных с «телесным недугом» и «страшными нравственными тревогами», то в исчислении предикатов началу стихотворения Тютчева будет соответствовать формула

Отметим, что имеют место следующие соотношения:

Справедливость их вытекает из смысла кванторов. Они позволяют любую формулу в исчислении предикатов представить в виде предваренной нормальной формы (ПНФ). В ней сначала выписываются все кванторы, а затем предикатные выражения. Например, формула

записана в ПНФ.

Введение кванторов

На первый взгляд такая замена вполне законна. Но для того, чтобы убедиться в этом, необходимо показать, что в исчислении предикатов могут быть выведены все модусы силлогистики Аристотеля.

Система аксиом и правила вывода в исчислении предикатов могут быть заданы следующим образом. В качестве системы аксиом берется любая известная система аксиом исчисления высказываний и к ней добавляются специфические для исчисления предикатов аксиомы, например, такие:

Смысл их очевиден. Первая аксиома говорит о том, что если Р(х) истинен для любых х, то и для некоторого у из того же универсума истинность предиката должна сохраняться. Вторая аксиома говорит о том, что если найдется такое у, что Р(у) будет истинным, то верно, что существует х, для которого Р(х) истинно.

К правилам вывода, используемым в исчислении высказываний, в исчислении предикатов добавляются еще три правила.

1. Пусть F1 и F2 – две формулы исчисления предикатов. И пусть в F1 переменная х не входит, а в F2 входит в качестве свободной переменной. Пусть, наконец, формула F1

2. Если х содержится в качестве свободной переменной в F1 и не содержится в таком виде в F2 и если F1

3. Если F – выводимая формула и в F есть кванторы общности и существования, то любая из связанных ими переменных может быть заменена на другую связанную переменную одновременно во всех областях действий квантора и в самом кванторе. Полученная после этого формула также является выводимой.

Использование такой системы аксиом и такого множества правил вывода позволяет в исчислении предикатов из тождественно истинных формул получать тождественно истинные.

Вернемся теперь к попытке вложения силлогистических утверждений в исчисление предикатов. Исследование выводимости 24 модусов, верных в силлогистике Аристотеля, в исчислении предикатов привело к следующему результату. Если предполагать, что все классы сущностей непусты, т.е. рассуждения не касаются мыслимых сущностей (например, драконов или русалок), то приведенная выше замена силлогистических выражений выражениями логики предикатов будет полностью справедлива. Другими словами, при непустых классах сущностей все модусы силлогистики Аристотеля выводятся в исчислении предикатов.

Иная ситуация возникает при допущении пустых классов сущностей. В исчислении предикатов предикаты с пустыми областями для аргументов ведут себя совсем не так, как такие же предикаты с непустыми областями. В этих условиях оказываются невыводимыми все модусы силлогистики, в которых вывод носит частный характер, а обе посылки носят общий характер. Например, оказываются невыводимыми модусы AAI и ЕАО первой фигуры:

Хотелось бы обратить внимание читателей на только что полученный результат моделирования. Даже в области дедуктивных рассуждений, дающих всегда достоверные результаты, характер человеческих рассуждений может быть различным. И он не обязан совпадать (как это показывает случай с силлогистикой) с теми схемами рассуждений, которые демонстрирует исчисление предикатов.

Общая схема вывода

Опишем общую схему выводов, лежащую в основе большого количества моделей человеческих достоверных рассуждений. Она приведена на рис. 19. Обратим сначала внимание на рис. 19, а. На нем показано некоторое дерево вывода. Вершинам этого дерева соответствуют определенные утверждения Fi, а дуги определяют порядок получения новых утверждений. Те дуги, которые сходятся в зачерненные точки, образуют конъюнктивные условия вывода, а те дуги, которые между собой соединены «дужкой», образуют дизъюнктивные условия вывода. Например, получение утверждения F9 возможно двумя путями. Если доказаны утверждения F2 и F3, то F7 следует из их доказанности, F6 из доказанности F2 и F9 из доказанности F6 и F7. Другой путь доказательства F9 вытекает из априорной доказанности F3 или F4. Любого из этих фактов достаточно для вывода F8, который обеспечивает выводимость F9.