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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE CIENCIAS UN MÉTODO GENERAL PARA LA INTERDEFINICIÓN DE CONECTIVOS T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: MATEMÁTICO P R E S E N T A : HÉCTOR HERNÁNDEZ ORTIZ TUTOR: DR. JOSÉ ALFREDO AMOR MONTAÑO 2010 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Dedicatoria: Dedico este trabajo a todos los profesores de la facultad de ciencias de la UNAM, especialmente a los que enseñan matemáticas y lógica, incluyendo a mi profesor de lógica Rafael Rojas Barbachano. Agradecimientos: Agradezco a los profesores que leyeron este trabajo y aportaron observaciones valiosas para mejorarlo. Hoja de Datos del Jurado 1. Datos del alumno Apellido paterno: Hernández Apellido materno: Ortiz Nombre: Héctor Teléfono: 56 19 30 44 Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ciencias Carrera: Matemáticas Número de cuenta: 095612399 2. Datos del tutor Grado: Dr Nombre(s): José Alfredo Apellido paterno: Amor Apellido materno: Montaño 3. Datos del sinodal 1 Grado: Dr Nombre(s): Elisa Apellido paterno: Viso Apellido materno: Gurovich 4. Datos del sinodal 2 Grado: Dr Nombre(s): Carlos Apellido paterno: Torres Apellido materno: Alcaraz 5. Datos del sinodal 3 Grado: Dr Nombre(s): Francisco Apellido paterno: Hernández Apellido materno: Quiroz 6. Datos del sinodal 4 Grado: Dr Nombre(s): Favio Ezequiel Apellido paterno: Miranda Apellido materno: Perea 7. Datos del trabajo escrito. Título: Un método general para la interdefinición de conectivos Número de páginas: 25p. Año: 2010. Índice general I. Un método general para la interdefinición de conectivos 2 Introducción: Lógica clásica y sus principales conectivos 2 Expresión de conectivos en términos de otros 6 Algunas interdefiniciones no muy conocidas 8 Una introducción al método por medio de ejemplos 10 Presentación del método general 17 Otros resultados del método 18 Importancia y ventajas del método 20 Apéndice 25 Un método general para la interdefinición de conectivos. Héctor Hernández Ortiz 1.1 Introducción: Lógica clásica y sus principales conectivos Es común definir la lógica como el estudio de los métodos de razonamiento que permiten distinguir los razonamientos o argumentos correctos de los incorrectos. La lógica más simple conocida que ha resultado útil para este propósito es la lógica clásica proposicional. En particular, la lógica clásica proposicional se aplica al estudio de los argumentos cuya corrección depende exclusivamente del significado de ciertas expresiones que aparecen en ellos llamadas conectivos lógicos. En la siguiente tabla se presentan los conectivos usuales de la lógica proposicional, así como sus símbolos más comunes y cómo se leen: Conectivo Símbolo Lectura Negación ¬, ~ no Conjunción , & y Disyunción o Condicional , Si …entonces… Bicondicional ≡, …si y sólo si… Tal como en el álgebra se usan variables (x, y, z …) para representar o simbolizar números arbitrarios, en la lógica proposicional se usan variables proposicionales (p, q, r, …) para simbolizar proposiciones o enunciados simples, los cuales a su vez pueden unirse por conectivos para formar proposiciones compuestas. Por ejemplo, las proposiciones: ``No es el caso que Juan es casado'' ``2 es un número primo y 2 es par'' ``Si llueve, hay nubes'' pueden simbolizarse respectivamente así: p (donde p simboliza: ``Juan es casado''). q r (donde q simboliza: ``2 es un número primo'' y r: ``2 es par''). s t (donde s simboliza: ``Llueve'' y t simboliza: ``Hay nubes''). Los conectivos suelen definirse usando una tabla de verdad que indica los casos en que el conectivo es verdadero o falso (en lo sucesivo usaré “1” para simbolizar el valor de verdad “Verdadero” y “0” para simbolizar el valor “Falso”) dependiendo del valor de verdad que tengan las proposiciones componentes. Por ejemplo, las tablas de verdad de los conectivos mencionados antes son las siguientes: Negación La negación de una proposición p (simbolizada en lo sucesivo p) es verdadera si p es falsa y es falsa si p es verdadera. p p 1 0 0 1 La conectiva es una función del conjunto {1,0} en el conjunto {1,0} que, como puede notarse en la tabla, asigna el valor de verdad a una proposición de acuerdo con la siguiente regla: (1)=0 (0)=1 Conjunción En la tabla aparecen las 4 posibles combinaciones de valores de verdad para las proposiciones p y q, y se nota que el valor de verdad de la conjunción pq depende exclusivamente del valor de verdad de las proposiciones componentes, de hecho, la conjunción pq es verdadera sólo cuando las dos proposiciones p y q lo son. p p pq 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 Así que, la conjunción es una función binaria (de dos argumentos) dada por: (1,1)=1 (1,0)=0 (0,1)=0 (0,0)=0 Disyunción La disyunción presentada antes, simbolizada pq, suele llamarse disyunción inclusiva porque significa “p o q o ambos” o “al menos una de entre p y q es verdadera”', pero existe controversia acerca de si hay dos tipos de disyunción en el lenguaje ordinario. La otra disyunción, llamada disyunción exclusiva (simbolizada “”, “≢” o bien “↮”, aunque aquí usaremos:), significa ``p o q, pero no ambos''. Pero dado que es posible expresar la disyunción exclusiva en términos de los otros conectivos, como veremos más adelante, no se requiere incluir también la disyunción exclusiva. p q pq 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 La disyunción es una función binaria cuyo valor de verdad está dado por las siguientes reglas: (1,1)=1 (1,0)=1 (0,1)=1 (0,0)=0 Bicondicional Como su nombre sugiere, un bicondicional se puede ver como la conjunción de dos condicionales: (pq) (qp) que es verdadera cuando son verdaderos ambos condicionales, es decir, cuando si p es verdadera también q lo es, y viceversa. En otras palabras, un bicondicional pq es verdadero cuando y sólo cuando se cumple que: si una cualquiera de las proposiciones p q es verdadera, las dos lo son, así que, o bien ninguna es verdadera o las dos son verdaderas. Esto suele resumirse diciendo que el bicondicional es verdadero cuando las proposiciones componentes tienen el mismo valor de verdad. p q pq 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 El bicondicional es una función binaria cuyo valor de verdad está dado por las siguientes reglas: (1,1)=1 (1,0)=0 (0,1)=0 (0,0)=1 Condicional De los conectivos básicos mencionados hasta el momento, probablemente el más difícil de entender y manejar es el condicional. Sin embargo, si ya se ha entendido y aceptado la tabla de la verdad de la conjunción y el bicondicional se puede recurrir a tal fundamento para construir la tabla de verdad del condicional. p q pq (pq) (qp) pq 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 Como hemos visto, la tabla de verdad del bicondicional coincide con la de la conjunción (pq)(qp). Ahora bien, es claro que encualquier caso en donde la conjunción es verdadera, también es verdadera cada una de las dos proposiciones componentes, en particular la primera. Por lo tanto, en los renglones 1 y 4 donde la conjunción es verdadera, el condicional también es verdadero como se observa en la tabla. Es fácil determinar el valor de verdad correspondiente al segundo renglón de la tabla del condicional: es “0'”(falso). No es difícil notar que la afirmación “Si Juan llega temprano, recibirá un premio” es falsa en un caso en el que Juan llega temprano y no recibe el premio prometido. Lo mismo sucede con cualquier condicional, es claro que si p resulta verdadera y q falsa, no se cumple que “Si es verdad p, entonces es verdad q”, es decir, es falso que pq. Ahora sólo falta obtener el valor de verdad del tercer renglón de la tabla del condicional. Es obvio que no es equivalente afirmar sólo el condicional pq que afirmar la conjunción de los dos condicionales (pq)(qp). Con esto es suficiente para saber que el valor de verdad en el tercer renglón de la tabla es “1”, ya que si fuera “0'”, el condicional pq y el bicondicional pq serían equivalentes como se puede ver en la tabla anterior. De esta forma queda completa la función de verdad correspondiente al condicional: (1,1)=1 (1,0)=0 (0,1)=1 (0,0)=1 Definición 1 Una fórmula proposicional es una expresión formada por variables proposicionales y conectivos que se construye de acuerdo a las siguientes reglas: 1. Cualquier variable proposicional es una fórmula proposicional 2. Si A y B son fórmulas proposicionales, entonces A, AB, AB, AB y AB son fórmulas proposicionales. Expresión de conectivos en términos de otros Es un hecho bien conocido que los conectivos usuales de la lógica clásica proposicional se pueden expresar en forma equivalente a través de otros conectivos. Por ejemplo, el condicional ‘AB’ se puede expresar en términos de la negación y la disyunción como ‘AB’, mientras que la conjunción ‘AB’ se puede expresar en términos de la negación y la disyunción como ‘(AB)’. De hecho, se sabe que utilizando sólo algunos conectivos se pueden expresar todos los restantes. Por ejemplo, con sólo la conjunción y la negación, se puede expresar el condicional, la disyunción, el bicondicional y los demás conectivos binarios.1 También se conocen un par de conectivos que por sí solos son capaces de expresar el resto de conectivos: la negación conjunta () a veces llamada Daga de Quine y la negación alternativa o Barra de Sheffer (|). ‘pq’ se lee “ni p ni q” por lo que también se llama conectivo “nor” (del inglés not or), mientras que ‘p|q’ se lee “p y q son incompatibles”,2 por lo que también se le ha llamado incompatibilidad o conectivo “nand” (del inglés not and).3 Sin embargo, es menos conocido que la conjunción se puede expresar sólo en términos del bicondicional y la disyunción, o el condicional sólo en términos del bicondicional y la disyunción. No es obvio determinar cuáles son todos los conectivos que pueden expresarse en términos de uno o más de los otros conectivos lógicos, por esa razón después de que descubrió cómo expresar la conjunción en términos del bicondicional y del condicional, el famoso lógico Raymond M. Smullyan mencionó: “Este descubrimiento es mío, hasta donde yo sé”(Smullyan, 1989, p. 57). Y posteriormente dijo: “Yo descubrí esto independientemente. No sé si había sido descubierto o no previamente por alguien màs”(Smullyan, 2007, p.121). De manera similar, después de mencionar explícitamente que de hecho es díficil hallar una forma de expresar la conjunción en términos de la disyunción y el bicondicional, Smullyan dijo lo siguiente: “¡No recuerdo cómo alguna vez descubrí este extraño hecho!”(2009, p.81) Esto hace surgir un problema interesante: ¿existe algún método para determinar si a partir de uno o más conectivos se puede definir otro conectivo en términos de él o ellos? 1 Cuando un conjunto de conectivos es capaz de expresar todos los demás conectivos se le llama conjunto adecuado o completo de conectivos, aunque usualmente interesa buscar los conjuntos mínimos de esta clase, es decir, aquellos que logran expresar todos los conectivos con el mínimo número de elementos. 2 Esto quiere decir que no pueden ser las dos proposiciones verdaderas, es decir, al menos una de ellas es falsa. 3 Una prueba de que la negación conjunta y la alternativa bastan cada una por sí sola para expresar todos los demás conectivos se halla en Hunter (1971, p. 68) y también se prueba en Enderton (2004, p. 81). Sin embargo, ambas pruebas se basan en un resultado previo cuya prueba es algo larga y sofisticada. Afortunadamente, es posible dar una prueba más simple como veremos más adelante. En su conocida obra Una Introducción matemática a la lógica, H.B. Enderton presenta un importante problema abierto relacionado con el anterior. Básicamente, Enderton considera la cuestión de cómo expresar el bicondicional “” usando sólo la negación conjunta “”. Después que el autor da su solución, “((AA)B) ((BB)A)", dice: Esto usa cinco dispositivos; ¿existe una mejor solución? Una pregunta más profunda es: ¿existe algún procedimiento sistemático para encontrar una solución minimal? Aquí sólo planteamos estas preguntas. En años recientes se ha realizado una buena cantidad de trabajo en la investigación de cuestiones de este tipo.(Enderton, 2004: 89) Así que el problema planteado y todavía no resuelto4 es si existe un procedimiento sistemático que permita obtener no sólo una forma de expresar un conectivo en términos de otro u otros, sino que sea capaz de proporcionar la fórmula de mínima longitud que logra tal objetivo, o en palabras de Enderton, que permita encontrar “una solución minimal”. Hallar una solución de este tipo tendría consecuencias significativas en computación ya que ahorraría mucho dinero al usar la mínima cantidad de dispositivos (correspondientes a los conectivos lógicos) para realizar el mismo trabajo que otro circuito con más dispositivos, además con menos dispositivos la velocidad crece y se ahorra memoria. El objetivo del presente trabajo es precisamente proponer un método general para determinar qué conectivos de la lógica clásica se pueden expresar o definir en términos de otro u otros y de qué forma. De hecho, se provee un algoritmo que permite obtener las fórmulas de longitud mínima que expresan los conectivos considerados. Antes de su exposición en abstracto, el método es ilustrado mediante varios ejemplos. Al final se indica la importancia del método aportado señalando sus principales aplicaciones y ventajas así como sus limitaciones. Algunas interdefiniciones no muy conocidas. Usando la negación y la conjunción es fácil expresar la disyunción de esta forma: ‘AB’ ‘(AB)’. Pero ¿sería posible expresar la disyunción 4 De hecho, este párrafo aparece prácticamente idéntico en la obra de Enderton en su primera edición en 1970 y en la de 1987. usando sólo el condicional y el bicondicional? Una forma de hacerlo es la siguiente: (pq) q(pq) Esto se puede comprobar fácilmente mediante una tabla de verdad:5 p q p q q (pq) 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 La disyunción también se puede expresar en términos del bicondicional y la conjunción: (pq) (pq) (pq) El lógico R. Smullyan (2007) ha presentado otras interesantes equivalencias: (pq) p(pq) (pq) q(pq) (pq) p(pq) (pq) (pq)(pq) Todavía más sorprendente es notar que la disyunción se puede expresar usando sólo el condicional. (pq) (pq)q6 Además, la conjunción se puede expresar en términos de la disyunción si se usan las dos versiones de disyunción (inclusiva ‘’ y exclusiva ‘’). (pq) (pq)(pq) Y tambiénla disyunción inclusiva se puede construir a partir de la disyunción exclusiva y la conjunción: (pq) (pq)(pq) Puesto que varias de estas equivalencias no son obvias y de hecho algunas podrían parecer intuitivamente inesperadas, resulta de interés saber 5 Usaré “1” para simbolizar el valor de verdad “Verdadero” y “0” para simbolizar el valor “Falso”. 6 Esta interdefinición existe desde hace tiempo en algunos textos de lógica, aunque ni siquiera Raymond Smullyan (2007, p. 121) sabe quién es su descubridor. De hecho, él menciona: “La solución no es en absoluto evidente. El hecho de que sea posible hacerlo es parte del folklore de la lógica matemática, pero no he podido encontrar al lógico que lo descubrió”(1989, p.57). cómo se puede determinar si un conectivo puede ser expresado o no por otro u otros. Pero antes de ilustrar el proceso, es preciso aclarar el tipo de conectivos que se utilizan aquí. Los conectivos binarios son funciones f con dominio [1,0]x[1,0] y rango [1,0], es decir, un conectivo binario es una función f tal que f:[1,0]x[1,0][1,0]. Dado que a cada uno de los 4 pares ordenados de valores (x, y) se le puede asociar 1 o 0, hay en total 24=16 funciones binarias. En la tabla siguiente se presentan las 16 funciones binarias: p q q p 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 Una introducción al método por medio de ejemplos. A continuación se propone un procedimiento mecánico para encontrar el número máximo de las funciones no equivalentes que se pueden construir usando fórmulas con un número restringido de conectivos y dos variables proposicionales. En particular, se presenta un método mecánico de cómo puede hacerse esto para los conectivos binarios aunque la estrategia puede extenderse a conectivos de otras aridades.7 Sin embargo, antes de presentar el método general en abstracto, se consideran ejemplos particulares para ilustrarlo y facilitar su comprensión. Ejemplo 1: Supongamos que sólo podemos utilizar una fórmula que tiene como único conectivo el bicondicional, ¿cuáles de las 16 funciones binarias pueden construirse con este tipo de fórmula? Puesto que siempre contamos con dos variables (aquí usaremos p y q) las cuales presentan las 4 combinaciones de valores de verdad, las pondremos como las primeras 2 columnas y el conectivo utilizado (en este caso el bicondicional) en la siguiente columna así: (1) (2) (3) p q pq 7 Sin embargo, esta extensión no será tratada aquí, queda para un trabajo futuro realizar el proceso análogo para conectivos con más de dos variables y para los conectivos no binarios. 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 Ahora seguiremos estos pasos sencillos: 1.-Establecer una regla simple para obtener el valor de verdad del bicondicional.8 En este caso la regla puede describirse como: Si los dos valores introducidos son iguales, el valor obtenido es 1; y si son distintos, el valor es 0. 2.-Hallar las distintas combinaciones de parejas de números de las 3 columnas. (1,1), (1,2), (1,3), (2,2), (2,3), (3,3). Por ejemplo, (1,1) significa relacionar mediante un bicondicional la columna 1 con la columna 1, es decir, ‘pp’. (2,3) significa relacionar mediante un bicondicional la columna 2 con la 3, resultando ‘q(pq)’. En este caso, no es necesario considerar la combinación (2,1) ni la (3,2) porque el bicondicional es conmutativo, es decir, ‘pq’ es equivalente a ‘qp’.9 3.-Hallar la tabla de verdad de las distintas combinaciones encontradas indicando a cuál de las 3 columnas es equivalente cada combinación, o agregar una nueva columna si la tabla de alguna combinación no es equivalente a ninguna de las 3 columnas ya dadas. El resultado se muestra en la siguiente tabla (en el último renglón se indica qué combinaciones son equivalentes a ellas): (1) (2) (3) (4) p q pq T 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 (2,3) (1,3) (1,2) (1,1), (2,2), (3,3) 8 Como se verá posteriormente, esta regla en realidad es prescindible, pero a fin de facilitar la comprensión del último paso (el paso 3) retendremos esta regla en los sucesivos ejemplos. 9 En general, si el conectivo es conmutativo, no es necesario considerar la combinación (y, x) si ya está contemplada la combinación (x, y) puesto que son equivalentes. Obsérvese que cada combinación dada en el paso 2 ha sido incorporada a la tabla en la columna correspondiente a la fórmula a la que es equivalente. Por ejemplo, la combinación (2,3) que representa la fórmula ‘q(pq)’ se coloca en la columna 1, puesto que dicha fórmula es equivalente a p. De manera similar, la combinación (1,3) que representa ‘p(pq)’ equivale sólo a q por lo que se coloca en la columna 2. Sin embargo, la fórmula correspondiente a la combinación (1,1), es decir, ‘pp’, hizo surgir una nueva columna, la columna (4), ya que esta fórmula no es equivalente a ninguna de las dadas en las primeras 3 columnas.10 Ahora bien, esta nueva columna aumenta las combinaciones contempladas originalmente en el paso 2. Así que, a fin de explorar todas las combinaciones posibles, tenemos que añadir a la lista anterior las combinaciones de la columna (4) con las anteriores: (1,4), (2,4), (3,4) y (4,4). Incorporando estas nuevas combinaciones en la tabla anterior obtenemos: (1) (2) (3) (4) p q pq T 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 (2,3), (1,4) (1,3), (2,4) (1,2), (3,4) (1,1), (2,2), (3,3), (4,4) Por lo tanto, hay sólo 3 funciones binarias distintas (aparte del bicondicional mismo) que se pueden expresar usando sólo el bicondicional: p, q y T. Y de hecho, también se ha obtenido la forma explícita de expresar estas funciones. Por ejemplo: p q (pq) El resultado de la combinación (2,3) q p (pq) El resultado de la combinación (1,3) Ahora bien, hay al menos 4 formas de expresar T puesto que se tienen 4 proposiciones no equivalentes (p, q, pq y T) que cuando se relacionan consigo mismas mediante el bicondicional dan como resultado la función T. T p p El resultado de (1,1) 10 Como se muestra en la tabla de las 16 funciones binarias presentada en la introducción, aquí usamos T para representar las fórmulas tautológicas. T q q El resultado de (2,2) T (pq)(pq) El resultado de (3,3) T (pp)(pp) El resultado de aplicar (4,4) tomando (1,1). Esto permite obtener varias versiones explícitas de (1,4), es decir, varias formas de expresar ‘p (T)’, la cual equivale sólo a p. Por ejemplo: p p (pp) El resultado de la combinación (1, (1,1)) p p (qq) El resultado de la combinación (1, (2,2)) p p ((pq)(pq)) El resultado de la combinación (1, (3,3)) En conclusión, con dos variables p y q, usando sólo el bicondicional únicamente se puede expresar el conectivo tautológico T además de las 3 funciones de las que partimos p, q y pq. Ejemplo 2: Determinar las funciones de verdad que se pueden construir usando el condicional como único conectivo. (1) (2) (3) p q pq 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1.-Establecer una regla para obtener el valor de verdad del condicional. En este caso la regla puede describirse como: Si el primer valor es mayor que el segundo, el valor es 0; si no, el valor es 1. 2.-Hallar las distintas combinaciones de parejas de números de las 3 columnas. Al tomar en consideración que el condicional no es conmutativo se obtienen las siguientes combinaciones de columnas: (1,1), (1,2), (1,3), (2,2), (2,3), (3,3), (2,1), (3,1), (3,2). 3.-Hallar la tabla de las distintas combinaciones indicando a qué columna es equivalente si es el caso, o introducir otra columna si no coincide con ninguna de las ya dadas.El resultado se muestra en la siguiente tabla: (1) (2) (3) (4) (5) (6) p q pq T pq p q 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 (3,1) (1,2), (1,3) (1,1),(2,2),(2,3),(3,3) (2,1) (3,2) De esta forma se agotan las combinaciones iniciales de las 3 columnas, pero ahora han surgido nuevas combinaciones debido a la adición de las columnas 4, 5 y 6. Así que el total de combinaciones ha crecido hasta tener las 36 combinaciones posibles: (1,1), (1,2), (1,3), (1,4), (1,5), (1,6), (2,2), (2,3), (2,4), (2,5), (2,6), (3,3), (3,4), (3,5), (3,6), (4,4), (4,5), (4,6), (5,5), (5,6), (6,6), (6,5), (6,4), (5,4), (6,3), (5,3), (4,3), (6,2),(5,2), (4,2), (3,2), (6,1), (5,1), (4,1), (3,1) y (2,1). Sin embargo, a pesar de que parece haber muchas combinaciones, el trabajo no es complicado. Realizando el proceso mecánico indicado antes se obtiene que: (4,4), (5,5), (6,6), (1,4), (1,5), (1,6), (2,4), (2,6), (3,4), (5,4) y (6,4) están en la columna (4). De manera similar, (2,5), (4,3), (5,3), (6,3) y (6,2) están en la columna (3). (3,5), (4,5), (6,1) y (6,5) están en la columna (5). (3,6), (4,6), (5,6) y (5,1) están en la columna (6). (4,2) y (5,2) están en la columna (2) y, por último, (4,1) está en la columna (1). Por consiguiente, con el condicional como único conectivo se pueden expresar estas funciones de verdad: p, q, T, y . Además, se han obtenido también distintas formas de expresarlas. Puesto que (3,1) es equivalente a p, se tiene que: p (pq) p Y como también (4,1) equivale a p, se concluye por ejemplo que: p (pp) p usando (1,1) p (qq) p usando (2,2) p (q(p q)) p usando (2,3) De manera similar, como (4,2) y (5, 2) son equivalentes a q, se tiene que: q (pp)q q (qp)q Además, como se observa en la columna (4), T se obtiene fácilmente de varias formas: T (pp) con (1,1) T (qq) con (2,2) T q(pq) con (2,3) Respecto a , dado que, por ejemplo, (3,5) y (6,1) están en la columna (5), se obtienen las siguientes equivalencias: pq (pq)(qp) con (3,5) pq ((pq)q)p con (6,1) Por otra parte, de la columna (6) se observa que la disyunción se obtiene por ejemplo así: p q (pq)q con (3,2) p q (pp)((pq)q) con (4,6) La primera de estas fórmulas es la que Smullyan presentó diciendo que no conocía su descubridor. Ahora se ha obtenido de una forma totalmente mecánica que no ha exigido mucho ingenio. Un caso particular de (5) es (6,1), así que (5,1) también se obtiene con ((6,1), 1), el cual muestra que: p q (((pq)q)p)p Además, se puede observar que de las distintas formas de expresar la disyunción, (3,2) (3,6), (4,6), (5,6) y (5,1), la de longitud mínima es justo la primera que surge en el proceso que origina la columna 6, es decir, la fórmula expresada por (3, 2). Sin embargo, como se indicará más adelante, puede haber varias fórmulas de longitud mínima, lo cual no entra en conflicto con el hecho de que la fórmula asociada a la primera combinación que da origen a la columna correspondiente al conectivo en cuestión, es de longitud mínima. Ahora se abordará un caso que involucra determinar cuáles funciones de verdad se pueden obtener usando dos conectivos. Ejemplo 3: determinar los conectivos que se pueden expresar con la disyunción () y el condicional (). Se establecen las columnas básicas: (1) (2) (3) (4) p q p q 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 Primero se aplica el método con la disyunción: 1.-Establecer la regla para obtener el valor de la disyunción. En este caso la regla puede describirse como: Sólo cuando los dos valores son 0’s se obtiene 0; en otro caso, el valor es 1. 2.-Hallar las distintas combinaciones de parejas de números de las 4 columnas. Puesto que la disyunción es conmutativa, las combinaciones son: (1,1), (1,2), (1,3), (1,4), (2,2), (2,3), (2, 4) (3,3), (3,4), (4,4) 3.-Hallar la tabla de las distintas combinaciones indicando a qué columna es equivalente si es el caso, o introducir una nueva columna si no coincide con ninguna de las anteriores. En la tabla se muestra a qué columna pertenece cada una de las combinaciones indicadas antes. (1) (2) (3) (4) (5) p q p q T 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 (1,1) (2, 2) (1,2), (1,3), (2,3), (3,3) (2,4), (4,4) (1,4),(3,4) Como se ha agregado la columna (5) se requiere introducir las combinaciones: (1,5), (2,5), (3,5), (4,5) y (5,5). Sin embargo, es fácil ver que estas combinaciones están todas en la columna (5). Ahora, se hace el trabajo análogo con el condicional. 1.-La regla para obtener el valor del condicional es: Si el primer valor es mayor que el segundo, el valor es 0; si no, el valor es 1. 2.-Hallar las distintas combinaciones de parejas de números de las (5) columnas. Al tomar en consideración que el condicional no es conmutativo se obtienen las siguientes combinaciones de columnas: (1,1), (1,2), (1,3), (1,4), (1, 5), (2,2), (2,3), (2,4), (2,5), (3,3), (3,4), (3,5), (4,4), (4,5), (5,5), (5,4), (5,3), (4,3), (5,2), (4,2), (3,2), (5,1), (4,1), (3,1) y (2,1). 3.-Hallar la tabla de las distintas combinaciones indicando a qué columna es equivalente si es el caso, o crear una nueva columna si no coincide con ninguna de las anteriores. (1) (2) (3) (4) (5) (6) p q p q T 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 (5,1) (4,1) (5,2) (2,3), (5,3) (4,3), (4,2) (1,2), (1,4) (3,4), (5,4) (3,2) (1,1),(1,3), (1,5), (2,2) (2,3), (2,4), (2,5), (3,3) (3,5), (4,4), (4,5), (5,5) (3,1) (2,1) Puesto que se ha incorporado la columna (6), se añaden a las combinaciones previas las siguientes: (1,6), (2,6), (3,6), (4,6), (5,6), (6,6), (6,5), (6,4), (6,3), (6,2) y (6,1). Al hacer las tablas de verdad de estas combinaciones se concluye que: (1,6), (6,6) y (6,5) están en la columna (5) (2,6), (3,6), (4,6) y (5,6) están en (6) (6,4) está en la columna (4) (6,3) y (6,1) están en la columna (3) y (6,2) está en la columna (2). Por lo tanto, con la disyunción y el condicional como únicos conectivos se pueden expresar (además de ellos mismos) estas funciones de verdad: p, q, T y . Presentación del método general. Ahora se puede presentar el método general en abstracto con menos riesgo de que parezca obscuro. Después de escribir las columnas correspondientes a los posibles valores de las variables p y q y la tabla de verdad del conectivo o conectivos de partida, se procede a: 1. Construir las combinaciones de pares de columnas considerando que las combinaciones inversas sólo se incluirán cuando el conectivo no es conmutativo. Para un conectivo no conmutativo las combinaciones iniciales que surgen con n columnas son: (1,1), (1,2), (1,3),…,(1,n), (2,1), (2, 2), (2,3),…,(2,n),…., (n-1, n-1), (n- 1,1), (n-1,2),…,(n-1,n), (n,1), (n, 2),…(n, n). Si el conectivo es conmutativo se eliminan de la lista anterior aquellas donde el primer elemento del par ordenado es mayor que el segundo. 2. Construir la tabla de verdad de cada combinación indicando a qué columna pertenece cada una de ellas o introduciendo nuevas columnas según sea el caso. (1) (2) (3) (4) … (n) (n+1) (n+2) … (n+k) p q Conectivo1 Conectivo2 … Conectivon-2 Nueva1 Nueva2 … 1 1 1 0 0 1 0 0 3. Si hay nuevas columnas, hallar las nuevas combinaciones de pares de columnas surgidas y la columna a la que pertenecen (este paso se repite hasta que no haya nuevas columnas). Supóngase que surgen k nuevas columnas, entonces si el conectivo es conmutativo las combinaciones que se agregan son: (n+1,1), (n+1, 2),…,(n+1, n), (n+1,n+1), (n+2,1), (n+2, 2),…,(n+2, n+1), (n+2,n+2),…, (n+k,1), (n+k, 2),…,(n+k, n+k-1), (n+k,n+k). Si el conectivo en cuestión no es conmutativo, se añaden las anteriores y el inverso de todas las combinaciones no reflexivas (es decir, todas las combinaciones que no son de la forma (m,m)). 4. Las nuevas columnas obtenidas constituyen las otras conectivas que se puedenexpresar con las dadas. Las combinaciones indican las distintas formas de expresar los conectivos en términos de los otros. Otros resultados del método Usando este método se concluye que: Con y sólo se pueden expresar: p, q, T, , , y . Por ejemplo: (pq) p(q(pq)) (pq) q(p q) Con y sólo se pueden expresar: p, q, T, , , . Por ejemplo: (usando para ) (pq) q(p(pq)) Estos y otros resultados obtenidos por medio del método expuesto se muestran en la siguiente tabla: Conectivos usados Funciones binarias expresadas , p , q , p, q, T, , p, q, T, , , , p, q, T, , , , p, q, T, , , , p, q, T, , , , Todas (p|q p(pq)) , Todas (p|q p (pq)) , T Todas (pq q(pT)) , T Todas (p|q (Tp)q) , Todas (p|q p(pq)) , Todas (p|q (pq)p) , T Todas (pq (Tp)q) , T Todas (p|q q(pT)) , Todas (p|q p(qp)) , Todas (p|q p(qp)) , Todas (p|q p(qp)) , Todas (p|q (qp)p)) Los últimos 12 renglones de la tabla constituyen los conjuntos adecuados de conectivos que constan de sólo 2 conectivos binarios. Entre paréntesis se da una prueba simple de que son adecuados, la cual consiste en expresar con el par de conectivos considerados uno de los dos conectivos capaces de expresar todos los restantes, es decir, la negación conjunta o la incompatibilidad. Importancia y ventajas del método. Puesto que el método aportado conlleva incluir todas las combinaciones posibles, podría parecer una gran desventaja de la técnica presentada que la cantidad de combinaciones crece rápidamente, especialmente en casos donde surgen 8 columnas o más (por ejemplo los casos indicados en los renglones 3 al 6 de la tabla previa) y en los que aumenta el número de los conectivos empleados o de las variables. Sin embargo, esta característica proporciona también ciertas ventajas, ya que esto nos permite no sólo conocer la cantidad máxima de funciones no equivalentes, sino también las distintas fórmulas que expresan dichas funciones, incluyendo las que usan el mínimo número posible de conectivos. De hecho, toda otra fórmula que use sólo el conectivo o los conectivos en cuestión se construye a partir de los bloques básicos de las columnas halladas en el procedimiento visto. Por ejemplo, dada una fórmula de cualquier longitud finita que use como único conectivo el bicondicional, se puede mostrar que es equivalente a una combinación de las ya obtenidas. El proceso consiste simplemente en ver si las fórmulas componentes son elementos de alguna de las 4 columnas que obtuvimos en el ejemplo 1. Si no lo son, se suprime el conectivo principal (en este caso, otro bicondicional) de cada componente del bicondicional principal y se considera si cada miembro está en alguna columna, y así sucesivamente hasta hallar los componentes básicos (esto está garantizado porque hay una cantidad finita de proposiciones componentes) los cuales constituyen las 4 columnas halladas. Un caso concreto puede ilustrar mejor la idea. Hemos visto en el ejemplo 1 que usando sólo el bicondicional se puede obtener T de varias formas. No obstante, la siguiente fórmula no se obtuvo entre las combinaciones encontradas: T ((pq)(pq)) ((pp)(qq)) Sin embargo, se puede observar que tanto el miembro izquierdo del bicondicional principal como el derecho, están en la columna (4), ya que cada uno es equivalente a T. Sin embargo, podemos ir más lejos y obtener la forma precisa de cómo se puede construir esta fórmula a partir de las columnas obtenidas en el procedimiento expuesto. En este caso basta observar que el miembro izquierdo del bicondicional tiene la combinación (3,3) y el derecho ((1,1), (2,2)). Es fácil mostrar ahora que esta combinación está en la columna (4): Puesto que las combinaciones (1,1) y (2,2) están ambas en la columna (4), la combinación de ellas ((1,1), (2,2)) es una instancia de (4,4), así que la fórmula dada “((pq)(pq)) ((pp)(qq))” es la combinación ((3,3), (4,4)). Y como (4,4) y (3,3) también están en la columna (4), la fórmula dada realmente es sólo otra instancia de la combinación (4,4). De hecho, los bloques obtenidos en las columnas permiten construir cualquier otra fórmula que utilice el bicondicional como único conectivo, ya que proporcionan todas las combinaciones de proposiciones no equivalentes que se pueden unir mediante el bicondicional. Todo esto confiere ciertas ventajas sobre otras presentaciones de la interdefinición de conectivos y los conjuntos adecuados de ellas. Por ejemplo, Gamut (2003, p.256) señala que la máxima cantidad de fórmulas no lógicamente equivalentes que se pueden construir con dos letras proposicionales usando sólo el condicional material “es 6 con las siguientes representaciones: pp, p, q, pq, qp, (pq)q.” Sin embargo, Gamut no explica cómo se obtienen éstas 6 fórmulas11 ni de qué otras formas se pueden representar. El método propuesto aquí permite obtener toda esta información y puede generalizarse a otros casos, ya sea con más letras proposicionales, con más conectivos o para conectivos que no son binarios. Además, Gamut añade que: “Aplicaciones ulteriores de no nos conducirán a una nueva tabla de verdad”. Pero no explica por qué. El método 11 Aunque las primeras parecen obvias, la última que “es una definición de p v q en términos implicación” no lo es, así que una explicación de cómo se obtienen es muy útil. presentado no sólo nos permite entender por qué, sino que provee la base para una demostración de que no hay otras funciones binarias que puedan construirse a partir de las obtenidas. A continuación se presenta un argumento por reducción al absurdo para mostrar esto. Supongamos que además de las funciones obtenidas mediante el método ofrecido, hay otro conectivo expresable. Ya que cualquier otro conectivo ha de estar construido con uno o más de los bloques indicados en las columnas, dicha conectivo tiene una combinación (a,b) de dichos bloques, pero como las columnas obtenidas agotan todas las combinaciones posibles, la combinación (a,b) es una de ellas. Esto contradice la hipótesis de que se trataba de una nueva función y el resultado queda establecido. Por otra parte, el problema de determinar la mínima longitud de las fórmulas equivalentes adquiere relevancia no sólo por simplicidad, sino por economía y optimización cuando se hacen aplicaciones en computación o en circuitos eléctricos por mencionar algunos ejemplos. Por ejemplo, vayamos al problema planteado por H.B. Enderton para expresar usando sólo , Enderton da la solución “((AA)B) ((BB)A)" y dice: Esto usa cinco dispositivos; ¿existe una mejor solución? Una pregunta más profunda es: ¿existe algún procedimiento sistemático para encontrar una solución minimal? Aquí sólo planteamos estas preguntas. En años recientes se ha realizado una buena cantidad de trabajo en la investigación de cuestiones de este tipo.(Enderton, 2004: 89) El presente método permite responder a estas dos preguntas: 1. No hay una mejor solución Cinco es la mínima cantidad de dispositivos que pueden usarse para expresar el bicondicional. Las otras formas mínimas de expresarlo son: ((AA)B) ((AB)A) ((AB)B) ((BB)A) ((AB)A) ((AB)B) 2. El procedimiento sistemático buscado es justo el propuesto aquí. Como hemos visto, el procedimiento nos permite hallar las fórmulas de longitud mínima con las primeras combinaciones, y después la longitud y la complejidad aumentan a medida que se evalúan las combinaciones de las nuevas columnas. Consideremos un ejemplo que subraya la eficacia del método. Cuando Hamilton (1981, pp.30-31) aborda el problema de encontrar una forma enunciativa en la que sólo figure y que sea equivalente a pq, da la siguiente solución: {(pp) [(qq) (qq)]} {(pp) [(qq) (qq)]} Hamilton añade: “Este ejemplo ilustra el precio que hay que pagar en términos de complicación y longitud si se desea usar una única conectiva.” Sin embargo, aunque esta solución es correcta, no es la mejor, pues se puede expresar el mismo conectivo de una forma mucho más simple: [(q(pq)] [(q(pq)]. Esto marca una importante virtud del método aportado aquí: no sólo nos permite hallar las distintas fórmulas equivalentes, sino también las de mínima longitud. Además, el presente método constituye la base para una demostración fácil de entender para probar que ciertos conjuntos de conectivos no son adecuados. Por ejemplo, Hunter (1971, p. 68) presenta el esbozo de una demostración de que el conjunto , no es adecuado usando el método de inducción matemática fuerte. Me parece que aún el esbozo podría resultar un poco complicado para algunos estudiantes. Usando el método propuesto se muestra de forma simple que con y sólo se pueden expresar p y q (además de los propios conectivos y ). Un tratamiento similar muestra de forma sencilla que a partir de , sólo se pueden expresar las siguientes funciones de verdad: T, T, . Esto es significativo porque Hamilton (p.21) señala que la prueba de que el conjunto , no es un conjunto adecuado es difícil usando los métodos tradicionales. Esto resuelve fácilmente también el siguiente ejercicio de Enderton (1987, p. 83): Pruebe que { T, , , ,} no es completo. (Recuérdese que nosotros usamos T para y para ). Dado que dos elementos del conjunto ( y ) sólo pueden expresar los otros 3 (T, , ) ningún otro se obtiene y el resultado queda probado. El siguiente ejercicio tomado de Enderton (1987, p. 83) también puede ser resuelto fácilmente usando la tabla de resultados mostrada antes: Pruebe que {,,} es completo pero que ningún subconjunto propio es completo. Con el método se encuentra que con ‘’ y ‘’ se puede expresar ‘’ en la siguiente forma: p(pq) pq. También, como se muestra en la tabla, con ‘’ y ‘’ se puede expresar ‘p|q’ en la siguiente forma p(pq). Por lo tanto, {,, } es completo. Por otra parte, aunque el método desarrollado aquí se aleja un poco de varios de los tratamientos usuales en su forma de abordar la negación,12 este tratamiento permite comprender fácilmente por qué el conjunto que consiste de la negación y de la conjunción , es adecuado o completo.13 La razón es que tal conjunto en realidad está constituido por las funciones binarias p, q, p, q y . Así que el conjunto en realidad incluye pq, pq, pq, pq y sus negaciones. En consecuencia, no es extraño que el conjunto , sea adecuado porque en realidad se trata del conjunto , , , , |,,,, el cual contiene los dos conectivos (pq y p|q) capaces de expresar por sí solos todo conectivo binario, y otros conectivos más. Análogamente, el conjunto , es adecuado por ser realmente el conjunto , , , | , , ,, , el cual también incluye entre sus elementos la Barra de Sheffer “|” y la Daga de Quine “”. Ahora bien, la proliferación de los casos que surgen en varias de las combinaciones de conectivos no debería perturbarnos demasiado porque: 1) Una vez que se ha entendido y trabajado el método, se pueden hallar varios “atajos” para obtener ciertas interdefiniciones específicas o para responder a preguntas particulares que no exigen conocer todas las distintas formas de expresar una función de verdad a partir de uno o más conectivos. 12 La negación no ha sido considerada aquí como una conectiva binaria. De hecho, la negación no es una conectiva genuinamente binaria ya que su tabla de verdad se puede definir usando funciones de verdad unarias. 13 Además, este enfoque permite hacer una prueba sencilla de que la negación conjunta y alternativa son los únicos conectivos binarios adecuados por sí solos. La prueba está en el Apéndice. 2) El trabajo arduo puede ser efectuado por un programa computacional, lo que hace innecesario el paso 1 y deja la carga de trabajo de los otros pasos en “las manos” de las sumisas computadoras (no en vano la palabra robot significa “trabajo forzado”). En conclusión, aunque puede llevar tiempo desarrollar el procedimiento sistemático propuesto aquí, vale la pena la inversión por las ventajas que se han indicado, sin mencionar las que aún aguardan a medida que se aplique este método general en la solución de otros problemas. Apéndice I. Demostrar que | y ↓ bastan cada uno por sí solo para expresar todos los conectivos binarios. Los 16 conectivos considerados p q ∧ ∨ → ↔ ← Τ ¬Τ ¬← ¬↔ ¬→ ¬∨ ¬∧ ¬ q ¬p se pueden expresar sólo con ‘∨’ y ‘¬’ .Los primeros 8 se pueden expresar así: 1.p ≅ p, 2. q ≅ q, 3. p∧q ≅¬ (¬p∨¬q), 4. p∨q ≅ p∨q, 5. p → q ≅¬ p∨q, 6. p↔q ≅ ¬(¬p∨¬q) ∨¬(p∨q), 7.p ←q ≅ ¬q∨p, 8.Τ ≅ p ∨ ¬p Anteponiendo una negación a éstos se obtienen los restantes 8 ya que son simplemente la negación de los anteriores. Por lo tanto, {∨,¬} es completo. Ahora bien, | y ↓ expresan cada uno por sí mismo ‘∨’ y ‘¬’ así: ¬p ≅ p|p (p∨q) ≅ (p|p)|(q|q) (p∨q) ≅ (p↓q)↓(p↓q) ¬p ≅ p↓p Por lo tanto, | y ↓ bastan cada uno por sí solo para expresar todos los conectivos binarios. � II. Demostrar que | y ↓ son los ùnicos conectivos que por sí solos son adecuados. Supongamos que existe otro conectivo binario ♣ que es adecuado por sì solo, entonces ♣:(1,1)→0 de lo contrario cualquier fórmula que use sólo ♣ y tome el valor 1 en todas sus variables proposicionales, adoptaría el valor 1 y no podrìa expresar la negación. Análogamente, ♣:(0,0) →1. Ahora bien, los valores de verdad en las líneas 2 y 3 de la tabla de ♣ no pueden ser iguales porque entonces ♣ serìa | o ↓. Por lo tanto, son distintos. A B A♣B 1 1 0 1 0 ? 0 1 ? 0 0 1 Por lo tanto, ♣ ≅ ¬p o ♣ ≅ ¬q, pero ni ¬p ni ¬q es completo porque ‘¬’ no es un conectivo completo por sí mismo, ya que ninguno de estos puede expresar T. Por lo tanto, | y ↓ son los únicos conectivos que por sí solos son adecuados.� Referencias. Enderton, H. B. (2004) Una introducción matemática a la lógica, 2ª Edición, México, UNAM, Filosofía Contemporánea. Gamut, L.T.F. (2003) Introducción a la lógica, Buenos Aires, Eudeba, Enciclopedia Lógica. Hunter, G. (1971) Metalogic: An Introduction to the Metatheory of Standard First Order Logic, California, University of California Press. Hamilton, A.G. (1990) Logic for mathematicians, Cambridge, Cambridge University Press. Mano, M. y Kime, C. (1997) Logic and Computer Design Fundamentals, Nueva York, Prentice Hall. Smullyan, R. M. (2007) The Magic Garden of George B. and Other Logic Puzzles, Milan, Polimetrica. Smullyan, R. M. (2009) Logical Labyrinths, A K Peters, Ltd, Canadá. Smullyan, R. M. (1989) Juegos por siempre misteriosos, Gedisa, México. Yanuskevich, S. Y Shmerko, V. (2008) Introduction to Logic Design, CRC Press, Estados Unidos de América. Portada Índice General Texto
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