Prover9/Mace4 的形式化语言简介

Prover9 和 Mace4 是一对在自动推理领域广泛使用的工具。Prover9 是一个自动定理证明器,用于寻找一阶逻辑和等式逻辑中公式的证明。Mace4 则是一个有限模型查找器,用于寻找满足(或不满足)给定公式集的有限域上的模型(反例)。这两个工具通常配合使用:Prover9 尝试证明某个猜想成立,而 Mace4 则尝试找到该猜想不成立的反例模型。

它们共享一套核心的形式化输入语言,这套语言基于一阶逻辑(First-Order Logic, FOL),并包含一些扩展以方便表达。理解这种语言是有效使用这两个工具的关键。

核心特点

  1. 声明式而非过程式 :用户只需声明 逻辑公式(公理、假设、目标结论),而不需要指定证明或模型查找的具体步骤或策略。工具会自动处理推理过程。

  2. 基于一阶逻辑:该语言的核心是一阶谓词逻辑,支持:

    • 个体变量:如 x, y, z
    • 常量符号 :表示特定对象,如 0, e, a
    • 函数符号 :表示映射,如 f(x), g(x, y)
    • 谓词符号 :表示属性或关系,如 P(x), R(x, y), =(x, y)(等式是内置的二元谓词)。
    • 逻辑连接词& (合取/与), | (析取/或), - (否定/非), -> (蕴含), <-> (等价)。
    • 量词all x ... (全称量词 \\forall x), exists x ... (存在量词 \\exists x)。
  3. 等式处理 :等式 = 是语言中内置且非常重要的部分。Prover9 和 Mace4 对等式推理有强大的支持。用户可以直接使用 = 符号。

  4. 输入文件结构:一个典型的输入文件包含以下几个部分:

    • 前提 (Premises) / 假设 (Assumptions) / 公理 (Axioms) :使用 formulas(sos).formulas(assumptions). 关键字列出。这些是已知为真或被假设为真的公式。
    • 目标 (Goal) / 结论 (Conclusion) / 猜想 (Conjecture) :使用 formulas(goals). 关键字列出。这是用户希望 Prover9 去证明(或 Mace4 去证伪)的公式。
    • (可选) 逻辑符号定义 :有时需要声明函数或谓词的元数(参数个数),如 function(f, 1). predicate(p, 2)。但在很多简单例子中,工具能推断出来。
    • (可选) 搜索参数:可以设置控制证明搜索或模型查找过程的选项。
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