1차 논리

1차 논리(一次論理, 영어: first-order logic)는 원소에만 한정 기호를 가할 수 있고, 술어에는 한정 기호를 가할 수 없는 술어 논리이다. 명제 논리와 달리 변수에 대하여 한정 기호를 사용할 수 있으나, 2차 논리와 달리 변수들의 집합에 대하여 한정 기호를 사용할 수 없다. 1차 논리의 경우, (2차 논리와 달리) 괴델의 완전성 정리 · 콤팩트성 정리 · 뢰벤하임-스콜렘 정리와 같은 중요한 성질들이 성립한다.

정의

1차 논리는 다음의 요소들로 이루어진다.

특정 문자열들의 집합을 논리식의 집합라고 한다. 논리식이 만족시켜아 하는 문법은 재귀적으로 정의된다.
특정 논리식 집합으로부터 다른 논리식을 추론할 수 있다. 이에 대한 규칙은 힐베르트 체계 및 다른 여러 방식으로 명시될 수 있다.
1차 논리 언어의 의미론이란, 그 언어의 문장들에 대하여 참인지 여부를 일관적으로 부여하는 구조이다. 이는 보통 모형으로 주어진다.

문법

다음과 같은 데이터가 주어졌다고 하자. (여기서 $\mathbb {N}$ 은 자연수, 즉 음이 아닌 정수의 집합이다.)

집합 $I$ 및 함수 $m\colon I\to \mathbb {N}$ , $i\mapsto m_{i}$ . $I$ 는 유한 집합이거나 무한 집합일 수 있다. 이를 연산(演算, 영어: operation)의 집합이라고 한다.
집합 $J$ 및 함수 $n\colon J\to \mathbb {N}$ , $j\mapsto n_{j}$ . $J$ 는 유한 집합이거나 무한 집합일 수 있다. 이를 관계(關係, 영어: relation)의 집합이라고 한다.

그렇다면, $(I,m,J,n)$ 으로 정의되는 1차 논리 언어 ${\mathcal {L}}_{I,J}\subseteq \Sigma ^{*}$ 는 특정한 문자열들의 집합이다. 이 문자열을 구성하는 문자 집합

\Sigma =\{{\mathsf {x}}_{n}\}_{n\in \mathbb {N} }\sqcup \{\forall ,=,\implies ,\lnot \}\sqcup \{{\mathsf {f}}_{i}\}_{i\in I}\sqcup \{{\mathsf {R}}_{j}\}_{j\in J}

은 구체적으로 다음과 같다.

가산 무한 개의 변수들 ${\mathsf {x}}_{0},{\mathsf {x}}_{1},{\mathsf {x}}_{2},\dots$
- 가산 무한 개의 변수들만으로 충분한 이유는 모든 논리식의 길이가 유한하기 때문이다. 무한 논리의 경우 더 많은 변수들을 추가할 수 있다.
명제 논리의 연산 $\implies$ (함의) 및 $\lnot$ (부정).
- 그 대신 다른 기호들을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 논리합 $\land$ 또는 논리곱 $\lor$ 등이 있다.
등호 $=$
전칭 기호(全稱記號, 영어: universal quantifier) $\forall$ .
- 그 대신 존재 기호(存在記號, 영어: existential quantifier) $\exists$ 를 사용할 수도 있다. 사실, 임의의 변수 $x$ 에 대하여 $\forall x\phi \iff \lnot \exists x\lnot \phi$ 이며 $\exists x\phi \iff \lnot \forall x\lnot \phi$ 이므로, 이들은 서로 동치이다.
각 $i\in I$ 에 대하여, 기호 ${\mathsf {f}}_{i}$ . 이를 $m_{i}$ 항 연산이라고 하며, $m_{i}$ 를 ${\mathsf {f}}_{i}$ 의 항수(項數, 영어: arity)라고 한다. 0항 연산을 상수(영어: constant)라고 한다.
각 $j\in J$ 에 대하여, 기호 ${\mathsf {R}}_{j}$ . 이를 $n_{j}$ 항 관계라고 하며, $n_{j}$ 를 ${\mathsf {R}}_{j}$ 의 항수(項數, 영어: arity)라고 한다. 1항 관계를 술어(영어: predicate)라고 한다. (항수가 0인 관계는 고전 명제 논리에서는 참 또는 거짓이 되므로 자명하다.)
이 밖에도, 괄호 $()$ 및 반점 $,$ 등은 엄밀히 말해 불필요하지만, 가독성을 돕기 위해 첨가한다. 예를 들어, ${\mathsf {f}}_{i}{\mathsf {x}}_{0}{\mathsf {x}}_{2}$ 대신 ${\mathsf {f}}_{i}({\mathsf {x}}_{0},{\mathsf {x}}_{2})$ 로 쓴다.

이 기호들 가운데, $\{{\mathsf {f}}_{i}\}_{i\in I}$ 및 $\{{\mathsf {R}}_{j}\}_{j\in J}$ 를 제외한 기호들을 논리 기호(영어: logical symbol)라고 한다.

1차 논리의 항(項, 영어: term)은 다음 문법을 따른다.

모든 변수는 항이다.
임의의 $i\in I$ 와 $m_{i}$ 개의 항 $t_{1},t_{2},\dots ,t_{m_{i}}$ 에 대하여, ${\mathsf {f}}_{i}(t_{1},t_{2},\dots ,t_{m_{i}})$ 은 항이다. (상수의 경우, 즉 $m_{i}=0$ 일 때, 보통 괄호 ${\mathsf {f}}_{i}()$ 를 생략하여 ${\mathsf {f}}_{i}$ 로 쓴다.)

1차 논리의 논리식(영어: (well-formed) formula)은 다음 문법을 따르는, 위 기호들의 문자열이다.

임의의 $j\in J$ 와 $n_{j}$ 개의 항 $t_{1},\dots ,t_{n_{j}}$ 에 대하여, ${\mathsf {R}}_{j}(t_{1},\dots ,t_{n_{j}})$ 은 논리식이다.
두 항 $t_{1}$ , $t_{2}$ 에 대하여, $t_{1}=t_{2}$ 는 논리식이다.
논리식 $\phi$ 와 $\chi$ 에 대하여, $\lnot \phi$ 와 $\phi \implies \chi$ 는 논리식이다.
논리식 $\phi$ 에 등장하는 변수 $x_{i}$ 가 자유 변수라면, $\forall x\phi$ 는 논리식이다.

여기서 논리식 $\phi$ 및 그 속에 등장하는 변수 $x$ 에 대하여, 만약 $\phi$ 가 $\forall x$ 를 포함하지 않는다면, $x$ 를 $\phi$ 의 자유 변수(영어: free variable)라고 하며, 그렇지 않다면 $x$ 를 $\phi$ 의 종속 변수(영어: bound variable)라고 한다.

자유 변수를 갖지 않는 (즉, 그 속에 등장하는 모든 변수가 종속 변수인) 논리식을 문장(文章, 영어: sentence)이라고 한다.

공리와 추론 규칙

1차 논리의 증명 이론은 다양한 방식으로 공리화할 수 있다. 예를 들어 다비트 힐베르트의 힐베르트 체계(영어: Hilbert system)나, 게르하르트 겐첸의 시퀀트 계산법(영어: sequent calculus)이나 자연 언역(영어: natural deduction) 등을 사용할 수 있다.

1차 논리를 힐베르트 체계를 사용하여 공리화하면, 다음과 같다. 우선, 편의상 다음과 같은 기호만을 사용한다고 하자.

명제 논리에서, 오직 함의 $\implies$ 와 부정 $\lnot$ 만을 사용한다고 하자. (논리합이나 논리곱과 같은 다른 명제 논리 기호는 이 둘로 나타낼 수 있다.)
술어 논리에서, 오직 전칭 기호 $\forall$ 만을 사용한다고 하자. (존재 기호 $\exists$ 는 $\forall$ 만으로 나타낼 수 있다.)

이 경우, 다음과 같은 공리 기본꼴(영어: axiom schema)들을 정의한다. 이 공리 기본꼴들에서 사용된 기호들은 다음과 같다.

$\phi$ , $\chi$ , $\psi$ 는 임의의 논리식을 뜻한다.
$t$ , $u$ 는 임의의 항을 뜻한다.
$x$ 는 임의의 변수를 뜻한다.

즉, 공리 기본꼴에서 위의 기호들을 실제의 논리식·항·변수로 치환하면 공리들을 얻는다.

우선, 추론 규칙으로 전건 긍정의 형식

㈀

{\begin{matrix}\phi \implies \chi \\\phi \\\hline \chi \end{matrix}}

가 있다. 이 밖에, 다음과 같은 명제 논리의 공리 기본꼴들이 사용된다.

㈁

\phi \implies \left(\chi \implies \phi \right)

㈂

\left(\phi \implies \left(\chi \implies \psi \right)\right)\implies \left(\left(\phi \implies \chi \right)\implies \left(\phi \implies \psi \right)\right)

㈃

\left(\lnot \phi \implies \lnot \chi \right)\implies \left(\chi \implies \phi \right)

1차 술어 논리의 경우, 다음과 같은 추가 공리 기본꼴들이 사용된다.

㈄

\forall x\phi \implies \phi [t/x]

㈅

\forall x\left(\phi \implies \chi \right)\implies \left(\forall x\phi \implies \forall x\chi \right)

㈆

\phi \implies \forall x\phi

공리 기본꼴 ㈆에서,

x

는

\phi

의 자유 변수일 수 없다.

㈇

x=x

㈈

\left(t=u\right)\implies \left(\phi [t/x]\implies \phi [u/x]\right)

공리 기본꼴 ㈈에서,

x

는 논리식

\phi

의 자유 변수이어야 한다.

위 공리 기본꼴들에서, $\phi [t/x]$ 는 논리식 $\phi$ 에 등장하는 자유 변수 $x$ 를 항 $t$ 로 대체하여 얻는 논리식을 뜻한다. 예를 들어, 체의 언어에서

{\text{“}}\lnot (x=2)\land \left(\forall xx=y)\right)\lor x=3{\text{”}}[(1+1)/x]={\text{“}}\lnot \left((1+1)=2\right)\land \left(\forall xx=y)\right)\lor 1+1=3{\text{”}}

이다. 이때, 논리식 내부의 ‘ $\forall xx=y$ ’에서 $x$ 가 치환되지 않는 이유는 이 부분에서는 $x$ 가 종속 변수이기 때문이다.

성질

의미론

1차 논리의 의미론은 보통 모형으로 주어진다. 주어진 연산 집합 $I$ 와 관계 집합 $J$ 을 갖는 1차 논리 언어 ${\mathcal {L}}_{I,J}$ 가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 이 언어의 모형은 집합 $X$ 및 각 $n$ 항 연산 $i\in I$ 에 대하여 ${\mathsf {f}}_{i}$ 의 해석 ${\mathsf {f}}_{i}^{X}\colon X^{n}\to X$ 및 각 $n_{j}$ 항 관계 ${\mathsf {R}}_{j}$ 에 대하여 그 해석 ${\mathsf {R}}_{j}^{X}\in {\mathcal {P}}(X^{n_{j}})$ 으로 구성된다. 이를 통해, ${\mathcal {L}}_{I,J}$ 의 문장 $\phi$ 와 ${\mathcal {L}}_{I,J}$ 의 모형 $M$ 에 대하여, $\phi$ 가 $M$ 에서 참인지 또는 거짓인지 여부를 정의할 수 있다. $\phi$ 가 $M$ 에서 참이라는 것은

M\models \phi

로 표기한다.

보다 일반적으로, ${\mathcal {L}}_{I,J}$ 의 논리식 $\phi$ 가 자유 변수 $x_{1},\dots ,x_{k}$ 를 갖는다고 하자. 그렇다면, ${\mathcal {L}}_{I,J}$ 의 모형 $M$ 및 그 속의 $k$ 개의 원소

(m_{1},\dots ,m_{k})\in M^{k}

가 주어졌을 때, $\phi$ 가 $M$ 에서 $(m_{i})_{i=1}^{k}$ 에 대하여 참인지 또는 거짓인지 여부를 정의할 수 있다. 이는

M\models \phi [m_{1}/x_{1},\dots ,m_{k}/x_{k}]

로 표기한다.

1차 논리의 경우 콤팩트성 정리와 뢰벤하임-스콜렘 정리가 성립한다.

증명 이론

비논리 기호를 포함하지 않는 1차 논리 문장들의 집합을 ${\mathcal {L}}_{=}^{0}$ 라고 하자. 그 가운데, 모든 모형에서 참인 문장들의 부분 집합

{\mathcal {T}}=\{\phi \in {\mathcal {L}}_{=}^{0}\colon \forall M\in \operatorname {Model} ({\mathcal {L}}_{=})\colon M\models \phi \}

을 생각하자. 또한, ${\mathcal {L}}_{=}^{0}$ 속에서, 위의 힐베르트 체계를 통해 증명할 수 있는 문장들의 집합을

{\mathcal {T}}'=\{\phi \in {\mathcal {L}}_{=}^{0}\colon \vdash \phi \}

그렇다면, 다음이 성립한다.

1차 논리의 건전성 정리에 따르면, ${\mathcal {T}}={\mathcal {T}}'$ 이다. 즉, 명제가 증명 가능한지 여부는 명제가 참인지 여부와 동치이다.
${\mathcal {T}}$ 는 재귀 집합이다. (이는 레오폴트 뢰벤하임이 1915년에 증명하였다.)

보다 일반적으로, 임의의 가산 연산 집합 $I$ 와 관계 집합 $J$ 를 갖는 1차 논리 언어 ${\mathcal {L}}_{I,J}$ 속에서, 문장들의 집합을 ${\mathcal {L}}_{I,J}^{0}\subseteq {\mathcal {L}}_{I,J}$ 라고 하자. 그 가운데, 모든 모형에서 참인 문장들의 부분 집합

{\mathcal {T}}=\{\phi \in {\mathcal {L}}_{I,J}^{0}\colon \forall M\in \operatorname {Model} ({\mathcal {L}}_{I,J})\colon M\models \phi \}

을 생각하자.

괴델의 완전성 정리에 따르면, ${\mathcal {T}}$ 는 재귀 열거 집합이다.
만약 ${\mathcal {R}}$ 에 (등호를 제외한) 2항 이상의 항수를 갖는 관계가 존재한다면, ${\mathcal {T}}$ 는 재귀 집합이 아니다.
만약 $I=\varnothing$ 이며, $J$ 의 모든 관계가 술어(1항 관계) 또는 등호라면, ${\mathcal {T}}$ 는 재귀 집합이다. 이러한 언어를 1항 1차 언어(영어: monadic first-order language)라고 한다.

린드스트룀 정리

린드스트룀 정리(영어: Lindström’s theorem)에 따르면, 1차 술어 논리는 (가산) 콤팩트성 정리와 하향 뢰벤하임-스콜렘 정리를 만족시키는 가장 강력한 논리 체계이다.^[1]

예

집합론

체르멜로-프렝켈 집합론의 언어는 하나의 2항 관계 $\in$ 만을 포함하며, 아무런 연산을 갖지 않는다. 집합론에서 사용되는 대부분의 명제들은 이 언어로 나타낼 수 있다.

체와 순서체

체의 1차 논리 언어

I=\{+,\cdot ,-,0,1\}

m_{+}=m_{\cdot }=2

m_{-}=1

m_{0}=m_{1}=0

J=\varnothing

는 두 개의 이항 연산과 하나의 1항 연산 및 두 개의 상수(0항 연산)을 포함하며, 등호 밖의 관계를 갖지 않는다. 보통 ${\mathsf {f}}_{+}(a,b)$ 는 $a+b$ 와 같이 표기한다.

순서체의 1차 논리 언어

I=\{+,\cdot ,-,0,1\}

m_{+}=m_{\cdot }=2

m_{-}=1

m_{0}=m_{1}=0

J=\{\leq \}

n_{\leq }=2

는 두 개의 이항 연산과 하나의 1항 연산 및 두 개의 상수(0항 연산)을 포함하며, 하나의 2항 관계를 갖는다. 보통 ${\mathsf {R}}_{\leq }(a,b)$ 는 $a\leq b$ 와 같이 표기한다.

역사

고틀로프 프레게가 1879년에 출판된 《개념 표기법》^[2]에서 사용한 논리는 (현대적 용어로는) 2차 논리였다.^[3]^:295^[4]^:101–102 이후 찰스 샌더스 퍼스가 1차 논리와 2차 논리를 구분하였다.^[3]^:296^[4]^:99 퍼스는 1차 논리를 "1차 의도적 논리"(영어: first-intensional logic)로, 2차 논리를 "2차 의도적 논리"(영어: second-intensional logic)로 일컬었다..^[4]^:99–100

이후 에른스트 체르멜로는 2차 논리를 사용하여 집합론을 개발하였다. 토랄프 스콜렘은 1922년에 체르멜로의 집합론을 1차 논리로 재정의하였다.^[5]^[4]^:123–124^[6]^:153–156 이는 오늘날 사용되는 체르멜로-프렝켈 집합론의 기반이 되었다.

참고 문헌

↑ Lindström, Per (1969년 4월). “On extensions of elementary logic”. 《Theoria》 (영어) 35 (1): 1–11. doi:10.1111/j.1755-2567.1969.tb00356.x. ISSN 0040-5825.
↑ Frege, Gottlob (1879). 《Begriffsschrift, eine der arithmetischen nachgebildete Formelsprache des reinen Denkens》 (독일어). 할레: Verlag von Louis Nebert.
↑ ^가 ^나 Putnam, Hilary (1982). “Peirce the logician”. 《Historia Mathematica》 (영어) 9 (3): 290–301. doi:10.1016/0315-0860(82)90123-9. ISSN 0315-0860.
↑ ^가 ^나 ^다 ^라 Moore, Gregory H. (1988). 〈The emergence of first-order logic〉 (PDF). Aspray, William; Kitcher, Philip. 《History and philosophy of modern mathematics》. Minnesota Studies in the Philosophy of Science (영어) 11. University of Minnesota Press. 95–135쪽. JSTOR 10.5749/j.cttttp0k.7.
↑ Skolem, Thoralf (1923). “Einige Bemerkungen zur axiomatischen Begründung der Mengenlehre”. 《Matematikerkongressen i Helsingfors den 4–7 Juli 1922, Den femte skandinaviska matematikerkongressen, Redogörelse》 (독일어) (헬싱키: Akademiska Bokhandeln): 217–232. JFM 49.0138.02.
↑ Eklund, Matti (1996년 12월). “On how logic became first-order” (PDF). 《Nordic Journal of Philosophical Logic》 (영어) 1 (2): 147–167. Zbl 0885.03006.

Hodges, Wilfrid (2001년 8월). 〈Classical logic I: first order logic〉. Goble, Lou. 《The Blackwell Guide to Philosophical Logic》 (영어). Blackwell. ISBN 978-0-631-20693-4. Zbl 1003.03010.
Ferreiros, Jose (2001년 12월). “The road to modern logic — an interpretation”. 《The Bulletin of Symbolic Logic》 (영어) 7 (4): 441–484. doi:10.2307/2687794. ISSN 1079-8986. JSTOR 2687794.

바깥 고리

Weisstein, Eric Wolfgang. “First-order logic”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
Weisstein, Eric Wolfgang. “Interpretation”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
Weisstein, Eric Wolfgang. “Sentence”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
Weisstein, Eric Wolfgang. “Sentential formula”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
Weisstein, Eric Wolfgang. “Open sentential formula”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
Weisstein, Eric Wolfgang. “Free variable”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
Weisstein, Eric Wolfgang. “Bound variable”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
“First-order logic”. 《nLab》 (영어).

[1] Lindström, Per (1969년 4월). “On extensions of elementary logic”. 《Theoria》 (영어) 35 (1): 1–11. doi:10.1111/j.1755-2567.1969.tb00356.x. ISSN 0040-5825.

[2] Frege, Gottlob (1879). 《Begriffsschrift, eine der arithmetischen nachgebildete Formelsprache des reinen Denkens》 (독일어). 할레: Verlag von Louis Nebert.

[Putnam-3] 가 ^나 Putnam, Hilary (1982). “Peirce the logician”. 《Historia Mathematica》 (영어) 9 (3): 290–301. doi:10.1016/0315-0860(82)90123-9. ISSN 0315-0860.

[Moore-4] 가 ^나 ^다 ^라 Moore, Gregory H. (1988). 〈The emergence of first-order logic〉 (PDF). Aspray, William; Kitcher, Philip. 《History and philosophy of modern mathematics》. Minnesota Studies in the Philosophy of Science (영어) 11. University of Minnesota Press. 95–135쪽. JSTOR 10.5749/j.cttttp0k.7.

[5] Skolem, Thoralf (1923). “Einige Bemerkungen zur axiomatischen Begründung der Mengenlehre”. 《Matematikerkongressen i Helsingfors den 4–7 Juli 1922, Den femte skandinaviska matematikerkongressen, Redogörelse》 (독일어) (헬싱키: Akademiska Bokhandeln): 217–232. JFM 49.0138.02.

[6] Eklund, Matti (1996년 12월). “On how logic became first-order” (PDF). 《Nordic Journal of Philosophical Logic》 (영어) 1 (2): 147–167. Zbl 0885.03006.

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