这是一份功利性的复习资料,具体的学习内容不会在这里记录。

0. 集合论

集合构成的集合称为集合族。

用叉乘表示笛卡尔积。

幂集 P(X)\mathcal P(X) 是集合 XX 所有子集构成的集合族,记作 2X2^X。

集合 A,BA,B 的对称差记作 A△⁡B=(A\⁡B)∪(B\⁡A)A\operatorname{\triangle}B=(A\operatorname{\backslash}B)\cup (B\operatorname{\backslash}A)。

0.1 关系

从 XX 到 YY 的一个(有序)关系是指一个 R⊂X×YR\subset X\times Y。

AA 上有一些特殊的关系:

  • 自反:(x,x)∈R(x,x)\in R。
  • 反自反:(x,x)∉R(x,x)\not\in R。
  • 对称:(x,y)∈R⇒(y,x)∈R(x,y)\in R\Rightarrow (y,x)\in R。
  • 反对称:∀x≠y\forall x\ne y,(x,y)∈R,(y,x)∈R(x,y)\in R,(y,x)\in R 不同时成立。
  • 传递。

以及空关系 ∅\varnothing,全域关系 A×AA\times A,恒等关系 Ia={(x,x)∣x∈A}I_a=\{(x,x)\mid x\in A\}。

R‾=(A×B)−R\overline{R} = (A\times B)-R。

关系的逆是 R−1R^{-1},本质上是转置矩阵,但显然不是逆矩阵。而关系的复合是矩阵乘法,所以满足矩阵的运算律。

关系的闭包是指在关系里提娜佳边使得它获得某种性质:

  • 自反闭包 r(R)=R∪IAr(R)=R\cup I_A。
  • 对称闭包 s(R)=R∪R−1s(R)=R\cup R^{-1}。
  • 传递闭包 t(R)=∪i=1nRit(R)=\displaystyle\cup_{i=1}^n R^i。

若 RR 满足自反,对称,传递,则是等价关系,通常记作 ∼\sim。形如若干个完全子图(团)。

每个团都是一个等价类,对于其中一个元素 xx 的等价类,记作 [x]R[x]_R 或者 xˉ\bar x 或者 x/Rx/R。

集合 AA 的划分记作 Π\Pi。给定等价关系后可以确定商集 A/ ⁣∼  ={[x]∣x∈A}A/\!\sim \; =\{[x]\mid x\in A\}。


若 RR 满足自反,反对称,传递,则是偏序关系,通常记作 ≼\preccurlyeq 或者 ≤\le。

若 RR 满足反自反,传递(此时自动反对称,采用反证法),则是拟序关系。

0.3 势

对于集合 A,BA,B,如果存在一个从 AA 到 BB 的一一映射,则称集合 AA 和 BB 对等,记作 A∼BA\sim B,称 AA 和 BB 有相同的势(基数)。

设 N\mathbb N 的基数是 ℵ0\aleph_0(阿列夫零),如果一个集合 AA 的势是 ℵ0\aleph_0,那么 AA 是可数集。

  1. 证明:有理数集可数,实数集不可数。

采用 Cantor 表的方式构造有理数:第 ii 斜行构造 ki−k,k∈[1,i−1]∩Z+\frac{k}{i-k},k\in [1,i-1]\cap \mathbb Z^+,这样可以构造正有理数,类似的可以构造负有理数。这样就可数了。

假设 [0,1][0,1] 中的实数是可数的,将所有实数排成无限大的矩阵,构造一个新的实数,每一位都与对角线位不同,矛盾。

A. 证明 Bernstein 定理,即单射 f:X→Y,g:Y→Xf:X\rightarrow Y,g:Y\rightarrow X 可以确定双射 h:X→Yh:X\rightarrow Y。

待补充。

1. 古典数理逻辑

1.1 命题逻辑

蕴含关系 p→qp\rightarrow q 等价于 ¬p∨q\neg p\lor q,套了一层德摩根。

联结词的完备集:能用该集合中的联结词表达任何真值函数(任何命题公式)。

主析取范式(Principal Disjunctive Normal Form):标准与或式。
主合取范式(Principal Conjunctive Normal Form):标准或与式。

1.2 谓词逻辑

谓词逻辑使得逻辑的表达能力得到了巨大提升。

  • 个体词
    • 个体常元:指某个具体的对象,比如我可能可以用 ss 表示苏格拉底。
    • 个体变元:泛指不确定的对象,比如用 xx 表示某个人。
  • 谓词:描述变元的性质
    • 可以有 nn 元,比如说我可以定义 L(s,p)L(s,p) 表示苏格拉底是个哲学家。
    • 本身不是命题,只有所有变元都被常元替换或被量词(诸如 ∀x\forall x)约束后,才变成命题。

根据这个逻辑,“所有人都会死”可以翻译成 ∀x(Man(x)→Mortal(x))\forall x(Man(x)\rightarrow Mortal(x))。

  • 项是“可以指代一个对象”的东西。定义是递归的:个体词是项,函数作用在项上还是项。
  • 若 PP 是 nn 元谓词符号,t1,⋯ ,tnt_1,\cdots,t_n 是项,则 P(t1,⋯ ,tn)P(t_1,\cdots,t_n) 是原子公式。原子公式是最小的公式单元,不能拆开。
  • 所有的原子公式都是合式公式(well-formed formula),逻辑运算和谓词也可以得到合式公式。量词后面的最短合式公式就是它的作用范围,所以注意加括号。

在谓词后面出现的变元称为约束出现,而不是约束出现的称为自由出现,这是一个自由变元,有自由变元的公式不是命题。

同种量词可以交换。

现阶段只研究一阶逻辑,它的量词只能作用于个体变元。也就是说,不允许量词作用于谓词。高阶逻辑没有一个完备的公理系统[1]。


范式的目的是将任意谓词公式写成“量词在前,内核在后”的标准形态。

首先是前束范式(Prenex Normal Form),形如:

Q1x1 Q2x2 … Qnxn  MQ_1 x_1 \, Q_2 x_2 \, \dots \, Q_n x_n \; M

其中每个 QiQ_i 是 ∀\forall 或 ∃\exists,母式 MM 中不含量词。

首先要消除 →\rightarrow 和 ↔\leftrightarrow,然后将所有的否定移到原子公式前面,最后不断前移量词即可。


Skolem 范式在前束范式基础上,消去所有存在量词,只保留全称量词,但引入新函数/常量来“模拟”存在性。

Skolem 化后的公式与原公式不逻辑等价,但保持一个关键性质:原公式可满足 当且仅当 Skolem 范式可满足(等可满足性)。

给定前束范式 Q1x1…QnxnMQ_1 x_1 \dots Q_n x_n M。
从左到右扫描量词前缀,遇到 ∃xi\exists x_i 就执行:

  • 情况A:∃xi\exists x_i 前面没有全称量词(即它是最左端或前面都是 ∃\exists),则用一个新的常量符号 cc(Skolem 常量,在原语言中未出现)替换母体 MM 中所有 xix_i 的出现,并删除该 ∃xi\exists x_i。
  • 情况B:∃xi\exists x_i 前面有 mm 个全称量词 ∀y1,…,∀ym\forall y_1, \dots, \forall y_m(即这些 ∀\forall 在该 ∃\exists 的左侧),则用一个新的 mm 元函数符号 f(y1,…,ym)f(y_1,\dots, y_m)(Skolem 函数,新符号)替换母体中所有 xix_i,并删除该 ∃xi\exists x_i。

保留所有 ∀\forall 量词和替换后的母式。

比如 ∃x1∃x2∀x3∀x4∃x5∀x6∃x7P(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7)\exists x_1 \exists x_2 \forall x_3 \forall x_4 \exists x_5 \forall x_6 \exist x_7 P(x_1, x_2, x_3, x_4, x_5, x_6,x_7) 化 Skolem 范式就是 ∀x3∀x4∀x6P(a,b,x3,x4,f(x3,x4),x6,g(x3,x4,x6))\forall x_3 \forall x_4 \forall x_6 P\big(a, b, x_3, x_4, f(x_3, x_4), x_6, g(x_3, x_4, x_6)\big)。

2. 图论

Dijkstra 按照 O(n2)O(n^2) 的方式求解,列表格 S,∣V∣−S,d(i)S,|V| -S,d(i)。

设图 GG 有哈密顿回路,则对任意顶点自己 S⊂VS\sub V,都有 ω(G\S)≤∣S∣\omega(G\backslash S)\le |S|,其中 ω\omega 代表该图的连通块数,判定时 ∣S∣≥1|S|\ge 1。若存在哈密顿通路,则 ω(G\S)≤∣S∣+1\omega(G\backslash S)\le |S|+1。

3. 初等数论

模 mm 的同于关系是一个等价关系,每一个等价类是一个同余类(剩余类)。

从 mm 个同余类中各选区一个代表元,得到完全剩余系。


在试卷上书写 5 行表格来实现扩展欧几里得算法。始终有 ri=aSi+bTir_i=aS_i+bT_i。开始时假设 a≥ba\ge b。当 rk+1=0r_{k+1}=0 时,最终得到 aSk+bTk=rk=gcd⁡(a,b)aS_k+bT_k=r_k=\gcd(a,b)。

kk01⋯\cdots
qkq_k--
rkr_kaabb
SkS_k1100
TkT_k0011

其中 q,rq,r 正在执行辗转相除,因此 qk=rk−2÷rk−1q_k=r_{k-2} \div r_{k-1},rk=rk−2−qkrk−1r_k=r_{k-2}-q_k r_{k-1}。非常巧妙的是 S,TS,T 的递推公式和 rr 长得一摸一样。

逆元存在的充要条件是 gcd⁡(a,m)=1\gcd(a,m)=1。

CRT:∑biMiti\sum b_iM_it_i,其中 Mi=MmiM_i=\frac M {m_i},Miti≡1(modm)iM_i t_i\equiv 1\pmod m_i。


将 nn 质因数分解,φ(n)=n∏(1−1pi)\varphi(n)=n\prod \left(1-\frac 1 {p_i}\right)。

欧拉定理:若 gcd⁡(a,m)=1\gcd(a,m)=1,则 aφ(m)≡1(modm)a^{\varphi(m)}\equiv 1\pmod m。

  1. 证明:若 x>1,a,b>0x>1,a,b>0,则 gcd⁡(xa−1,xb−1)=xgcd⁡(a,b)−1\gcd(x^a-1,x^b-1)=x^{\gcd(a,b)}-1。

  1. 具体内容请阅读《数理逻辑》。 ↩︎


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