© 1999
François Bry
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3.6 Gleichheit
Wir haben in Kapitel 2 ein spezielles
zweistelliges Gleichheitsrelationssymbol
eingeführt. Wie kann man aber erreichen, dass
dieses Relationssymbol gerade mit der Gleichheitsrelation und nicht
mit einer anderen zweistelligen Relation auf dem Universum
interpretiert wird?
Die Eigenschaften eines Relationssymbols werden normalerweise
dadurch festgelegt, dass man sie mittels Formeln axiomatisiert. Die
Interpretationen, die Modelle dieser Axiome sind, ordnen dem
Relationssymbol dann eine Relation mit den axiomatisierten
Eigenschaften zu. Im Falle der Gleichheit ist diese Vorgehensweise
aber aus den folgenden Gründen unzufriedenstellend:
-
Man kann mit Formeln der PL1S nicht ausschließen, dass
Modelle dieser Formeln zwei verschiedene Elemente des Universums
als ,,gleich`` interpretieren.
-
Der Begriff Gleichheit ist in sehr vielen Anwendungen der PL1S
zu finden. Die Gleichheit hat also eine besondere Stellung, die
eine besondere Behandlung rechtfertigt.
Der folgende Satz liefert die Begründung für die erste
Aussage:
Satz 3.6.1 (Modellerweiterungssatz).
Sei
M=(
D,Ab,U) eine

-Interpretation,
sei
d'∉
D und
D'=
D∨{
d'}. Dann gibt es eine

-Interpretation
M'
mit Universum
D', so dass für jede

-Formel
F gilt

gdw.

.
Beweis:
Sei d ∈ D beliebig, aber fest gewählt. Wir konstruieren Ab' aus Ab, so dass
auch das neue Element d' berücksichtigt wird. Die Grundidee dabei
ist, d' als eine Art
,,unscheinbaren Zwilling`` von d zu behandeln: ,,Zwilling``, weil d'
als Argument von Funktionen und Relationen
genauso wirkt als stünde d an seiner Stelle; ,,unscheinbar``,
weil die den Funktionssymbolen zugeordneten Funktionen d' nie als
Ergebnis liefern.
Notation: für ein Tupel (d1,...,dn) von
Elementen von D' bezeichne (d1,...,dn)[d/d']
das Tupel von Elementen von D, das aus dem ersten entsteht, wenn jedes Vorkommen von
d' durch d ersetzt wird. Wir definieren:
| Ab'(p) := Ab(p) |
für jedes 0-stellige Relationssymbol p |
| Ab'(p) := Ab(p) |
∪ {(d1,...,dn)∈D'n | |
|
di = d' für wenigstens ein i mit 1 ≤ i ≤ n |
|
und (d1,...,dn)[d/d']∈Ab(p)} |
|
für jedes n-stellige (n≥1) Relationssymbol p |
| Ab'(c) := Ab(c) |
für jedes 0-stellige Relationssymbol p |
| Ab'(f) := Ab(f) |
∪ {(d1,...,dn,dn+1)∈D'n+1 | |
|
di = d' für wenigstens ein i mit 1 ≤ i ≤ n, dn+1≠d' |
|
und (d1,...,dn,dn+1)[d/d']∈Ab(f)} |
|
für jedes n-stellige (n≥1) Funktionssymbol f |
Die Definition für ein
n-stelliges Relationssymbol
p
kann man auch so umschreiben: für jedes Tupel in
Ab(p)
, in dem
d vorkommt, enthält
Ab'(p) zusätzlich alle Tupel, die aus dem gegebenen
entstehen, wenn ein oder mehrere Vorkommen von
d durch
d' ersetzt werden.
Bei einem n-stelligen
Funktionssymbol entstehen für jedes Tupel in Ab(f), in dem d
vorkommt, die zusätzlichen Tupel durch Ersetzen eines oder
mehrerer Vorkommen von d durch d', aber nur an Argumentpositionen - dadurch wird
sichergestellt, dass Ab'(f):D'n->D' linkstotal
ist. An der Ergebnisposition
ändert sich dagegen nichts - damit ist die Rechtseindeutigkeit
von Ab(f) gewährleistet.
Notation: für eine D'-Umgebung U'
bezeichne U'[d/d'] die D-Umgebung:
U'(x) falls U'(x)≠d'
U'[d/d'](x) := {
U'(x) falls U'(x)≠d'
Wir zeigen nun eine Reihe von Hilfssätzen, die im
wesentlichen die erforderlichen Rechenregeln für den
Hauptbeweis unter 6. bereitstellen.
-
Für jede D-Umgebung U' und jeden Term t gilt:
t(D',Ab',U')[d/d'] = t(D',Ab',U'[d/d']).
Beweis durch strukturelle Induktion.
Basisfall Konstante c:
c(D',Ab',U')[d/d']
| = Ab'(c)[d/d'] |
nach Definition Interpretation |
| = Ab'(c) |
nach Definition Ab' ist Ab'(c)≠d' |
| = c(D',Ab',U'[d/d']) |
nach Definition Interpretation |
Basisfall Variable x:
-
Falls U'(x) = d', gilt
x(D',Ab',U')[d/d']
| = U'(x) = [d/d'] |
nach Definition Interpretation |
| = d'[d/d'] |
nach Annahme |
| = d |
nach Definition [d/d'] |
| = U'[d/d'](x) |
nach Definition U'[d/d'] |
| x(D',Ab',U'[d/d']) |
nach Definition Interpretation |
-
Falls U'(x) ≠ d', gilt
x(D',Ab',U')[d/d']
| = U'(x) = [d/d'] |
nach Definition Interpretation |
| = U'(x) |
nach Annahme U'(x) ≠ d' |
| = U'[d/d'](x) |
nach Definition U'[d/d'] |
| x(D',Ab',U'[d/d']) |
nach Definition Interpretation |
Induktionsfallf(t1,...,tn):
Es gelte
t1(D',Ab',U')[d/d'] = t1(D',Ab',U'[d/d'])
.
.
.
tn(D',Ab',U')[d/d'] = t1(D',Ab',U'[d/d'])
dann gilt
f(t1,...,tn)(D',Ab',U')[d/d']
| = Ab'(f)(t1(D',Ab',U'),...,tn(D',Ab',U'))[d/d'] |
Def. Interpretation |
| = Ab'(f)(t1(D',Ab',U'),...,tn(D',Ab',U')) |
da Ab'(f)(...) ≠ d' |
| = Ab'(f)(t1(D',Ab',U')[d/d'],...,tn(D',Ab',U')[d/d']) |
Def. Ab' |
| = Ab'(f)(t1(D',Ab',U'[d/d']),...,tn(D',Ab',U'[d/d'])) |
Indukt.annahme |
| f(t1,...,tn)(D',Ab',U'[d/d']) |
Def. Interpretation |
-
Für jede D'-Umgebung U' gilt
(t1,...,tn)(D',Ab',U') ∈ Ab'(p)
gdw.
(t1,...,tn)(D',Ab',U'[d/d']) ∈ Ab'(p)
,,→``: Sei ti(D',Ab',U') = di.
Aus der Annahme folgt (d1,...,dn) ∈ Ab'(p) und di ∈ D'.
Falls alle di ≠ d' sind, ist (d1,...,dn)[d/d'] =
(d1,...,dn) und nach Definition von Ab' gilt
(d1,...,dn) ∈ Ab(p). Falls
einige di = d' sind, ist (d1,...,dn)[d/d'] ∈ Ab(p)
nach Definition von Ab'. In jedem Fall ist (t1,...,tn)(D',Ab',U')[d/d'] ∈
Ab(p) und wegen 1. gilt die Behauptung.
,,←``: Sei ti(D',Ab',U') = di.
Wegen 1. folgt aus der Annahme: (t1,...,tn)(D',Ab',U')[d/d'] ∈ Ab'(p), also
(d1,...,dn)[d/d'] ∈ Ab'(p). Nach Definition von ∈ Ab' ist dann
(d1,...,dn) ∈ Ab'(p),
womit die Behauptung gezeigt ist.
-
Für jede D-Umgebung U und jeden Term t gilt
t(D',Ab',U) = t(D,Ab,U).
Beweis durch strukturelle Induktion.
Basisfall Variable x:
x(D',Ab',U) = U(x) = x(D,Ab,U).
Basisfall Konstante c:
c(D',Ab',U) = Ab'(c) = Ab(c) = c(D,Ab,U).
Induktionsfall f(t1,...,tn):
Es gelte t1(D',Ab',U) =
t1(D,Ab,U),...,tn(D',Ab',U) = tn(D,Ab,U),
dann gilt
f(t1,...,tn)(D',Ab',U)
| = Ab'(f)(t1(D',Ab',U),...,tn(D',Ab',U)) |
Definition Interpretation |
| = Ab'(f)(t1(D,Ab,U),...,tn(D,Ab,U)) |
Induktionsannahme |
| = Ab(f)(t1(D,Ab,U),...,tn(D,Ab,U)) |
weil ti(D,Ab,U) ∈ D und
dafür Ab'(f) mit Ab(f) übereinstimmt. |
| = f(t1,...,tn)(D,Ab,U) |
Definition Interpretation |
-
Für jede D'-Umgebung U' und
jede
-Formel G
gilt:
es gibt e' ∈ D' mit
(D,Ab,U'[e'/x][d/d'])
G
gdw.
es gibt e ∈ D mit
(D,Ab,U'[d/d'][e/x])
G.
,,→``: Die Annahme gelte.
Falls e' ≠ d', gilt U'[e'/x][d/d'] = U'[d/d'][e'/x], und aus der Annahme
folgt: es gibt e' ∈ D mit
(D,Ab,U'[d/d'][e'/x])
G,
also die Behauptung für e = e'.
Falls e' = d', gilt U'[e'/x][d/d'] = U'[d/d'][d/x],
und aus der Annahme folgt die Behauptung für e = d.
,,←``: Für e ∈ D ist U'[d/d'][e/x] = U'[e/x][d/d'], und wegen
folgt aus der Annahme die Behauptung für e' = e.
-
Für jede D'-Umgebung U' und
jede
-Formel G
gilt:
für alle e' ∈ D' gilt
(D,Ab,U'[e'/x][d/d'])
G
gdw.
für alle e ∈ D gilt
(D,Ab,U'[d/d'][e/x])
G.
,,→``:
Wegen
folgt aus der Annahme:
für alle e ∈ D gilt
(D,Ab,U'[e'/x][d/d'])
G.
Für e ∈ D ist e ≠ d', also U'[e/x][d/d'] = U'[d/d'][e/x],
somit
für alle e ∈ D gilt
(D,Ab,U'[d/d'][e/x])
G.
,,←``:
Für e ∈ D ist U'[d/d'][e/x] = U'[e/x][d/d'],
also folgt aus der Annahme: für alle e ∈ D gilt
(D,Ab,U'[e/x][d/d'])
G.
Insbesondere gilt also auch
(D,Ab,U'[d/x][d/d'])
G und
wegen U'[d/x][d/d'] = U'[d'/x][d/d'] auch
(D,Ab,U'[d'/x][d/d'])
G,
d.h.:
für alle e' ∈ D' gilt
(D,Ab,U'[e'/x][d/d'])
G.
-
Für jede D'-Umgebung U' und jede
-Formel G
gilt:
(D,Ab,U')
F
gdw. (D,Ab,U'[d/d'])
F.
Beweis durch strukturelle Induktion.
Basisfälle:
Für
,
und nullstelliges p gilt die Behauptung.
Für n-stelliges p mit n ≥ 1 gilt:
| gdw. |
 |
Definition  |
| gdw. |
 |
nach 2. |
| gdw. |
∈ Ab(p) |
nach 3. |
| gdw. |
(D,Ab,U'[d/d'])
p(t1,...,tn) |
Definition  |
Induktionsfälle für Junktoren
ergeben sich unmittelbar durch Anwendung der Definition von
.
Induktionsfall ∃:
Die Behauptung gelte für G.
| gdw. |
es gibt
mit  |
Definition  |
| gdw. |
es gibt
mit (D,Ab,U'[e'/x][d/d']) G |
Ind.annahme |
| gdw. |
es gibt
mit (D,Ab,U'[d/d'][e/x]) G |
nach 4. |
| gdw. |
 |
Definition  |
Induktionsfall ∀:
Die Behauptung gelte für G.
| gdw. |
für alle
gilt  |
Definition  |
| gdw. |
für alle
gilt (D,Ab,U'[e'/x][d/d']) G |
Ind.annahme |
| gdw. |
für alle
gilt (D,Ab,U'[d/d'][e/x]) G |
nach 5. |
| gdw. |
(D,Ab,U'[d/d']) ∀xG |
Definition  |
-
Jede D-Umgebung U ist auch eine D'-Umgebung, für die obendrein
gilt. Der Beweis des Modellerweiterungssatzes ergibt sich nun
für M' = (D',Ab',U) unmittelbar aus 6.
Die Bedeutung des Modellerweiterungssatzes liegt zunächst
darin, dass er eine eindeutige Axiomatisierung der
Gleichheitsrelation durch eine Menge von
-Formeln
ausschließt.
Angenommen, wir hätten eine solche Menge zur
Verfügung, die erzwingt, dass ihre Modelle das Relationssymbol
mit der
Gleichheitsrelation auf dem Universum interpretieren. Dann
fügen wir die Formel ∀x∀y x
y
zu dieser Menge hinzu.
Wenn
wirklich mit der
Gleichheitsrelation interpretiert würde, müsste jedes
Modell der erweiterten Formelmenge ein einelementiges Universum
haben. Nach dem Modellerweiterungssatz gilt aber: wenn es ein
Modell mit einem einelementigen Universum gibt, dann gibt es auch
ein Modell mit einem zweielementigen (und folglich auch mit noch
größerem) Universum, dessen Elemente alle zueinander in
der Relation stehen, mit der
interpretiert wird. Also gibt es keine Formelmenge, die erzwingt, dass ihre Modelle das
Gleichheitsrelationssymbol
nur mit der Gleichheitsrelation interpretieren können.
Eine weitere Folge des Modellerweiterungssatzes ist, dass keine
Formelmenge erzwingen kann, dass die Universen ihrer Modelle eine
Höchstzahl von Elementen haben. Man kann also für keine
natürliche Zahl n ausdrücken, dass es ,,höchstens n``
Objekte geben soll. Dagegen ist es bemerkenswerterweise möglich, mit
-Formeln zu erzwingen,
dass es ,,mindestens n`` Objekte gibt. Ebenso ist
ausdrückbar, dass es unendlich viele Objekte geben soll.
Mit der im folgenden vorgestellten in die Logik ,,eingebauten``
Gleichheitsrelation lässt sich immerhin erreichen, dass
für jede vorgegebene natürliche Zahl n ,,höchstens n`` ausdrückbar wird. Allerdings
ermöglicht auch die PL1S mit eingebauter Gleichheit nicht,
,,höchstens endlich viele`` auszudrücken, ohne eine
konkrete Zahl als Obergrenze vorzugeben (wir werden in
Abschnitt 4.9
auf dieses Thema zurückkommen). Diese
Nichtausdrückbarkeit einer Obergrenze setzt sich übrigens
im Unendlichen fort. Nach dem sogenannten ,,aufsteigenden Satz von
Löwenheim und Skolem`` gilt für jede Formelmenge der PL1S
mit eingebauter Gleichheit, die ein Modell mit unendlichem
Universum hat: für jede beliebige Menge hat die Formelmenge
auch ein Modell, dessen Universum mindestens so groß ist wie
diese Menge.
Doch nun zur angekündigten eingebauten Gleichheitsrelation.
Definition 3.6.2 (Normale Interpretation).
Eine

-Interpretation
M = (D,Ab,U) heißt
normal,
wenn

die Gleichheitsrelation auf
D
ist. Ist eine normale Interpretation
M ein Modell einer Formel
F,
schreibt man
M
F.
Die Folgerungsbeziehung bezüglich normaler Modelle wird ebenfalls

notiert.
Mit Definition 3.6.2 ist die
Semantik von Sprachen der PL1S mit Gleichheit festgelegt. Wie wir
gesehen haben, ist die Gleichheitsrelation durch Formeln der PL1S
nicht eindeutig axiomatisierbar. Wir untersuchen nun, wie weit man
mit einer solchen Axiomatisierung genau kommt.
Definition 3.6.3 (Gleichheitsaxiome).
Das Gleichheitsaxiomensystem
für eine Sprache

der PL1S ist
:=
{Refl} |
∪ {Subf | f n-stelliges Funktionssymbol in
, n ≥ 1} |
|
∪ {Subp | p n-stelliges Relationssymbol in
, n ≥ 1} |
Reflexivitätsaxiom:
Verträglichkeitsaxiom für ein n-stelliges (n ≥ 1) Funktionssymbol:
Verträglichkeitsaxiom für ein n-stelliges (n ≥ 1) Relationssymbol:
Subp := ∀x1...∀xn∀x'1...∀x'n
((x1
x'1 ∧...∧
xn
x'n) ⇒
(p(x1,...,xn) ⇒ p(x'1,...,x'n)))
Bemerkungen:
-
Die Verträglichkeitsaxiome drücken das Leibniz'sche
Prinzip ,,identitas indiscernibilium``, also
der Identität der ununterscheidbaren Dinge aus: das Gleiche
darf durch das Gleiche in einer Aussage ersetzt werden, ohne die
Gültigkeit der Aussage zu verändern.
-
In der Regel ist
unendlich. (Warum?)
Mit
wird das Prinzip ,,identitas indiscernibilium`` für die
einfachsten Terme und Formeln sichergestellt. Der folgende Satz
zeigt, dass es auch für komplexere Terme und Formeln, also
für die PL1S allgemein, gilt.
Satz 3.6.4.
- Seien t ein
-Term mit
var(t) = {x1,...,xn}, seien
mit
m ≥ n
paarweise verschiedene Variablen, so dass kein x'i gleich einem xj
ist, und sei t' der Term, der sich aus t ergibt,
wenn jedes Vorkommen von xi
durch x'i ersetzt wird für
. Es gilt:
{Refl} ∪ {Subf |
f n-stelliges Funktionssymbol in
, n≥1}

∀x1...∀xn∀x'1...∀x'm
(x1
x'1 ∧...∧
xm
x'm ⇒
t
t')
-
Seien F eine
-Formel
mit fvar(F) = {x1,...,xn},
seien
mit
m ≥ n
paarweise verschiedene Variablen, so dass kein x'i
gleich einem xj ist, und sei F' die Formel,
die sich aus F ergibt, wenn jedes freie
Vorkommen von xi durch x'i ersetzt wird
für
. Es gilt:
∀x1...∀xn∀x'1...∀x'm
(x1
x'1 ∧...∧
xm
x'm ⇒ (F⇒F')
Beweis:
Strukturelle Induktion über den Aufbau von Termen und Formeln.
Die Gleichheitsaxiome werden häufig so formuliert, dass
auch ein Symmetrieaxiom und ein Transitivitätsaxiom enthalten
sind. Diese folgen aus den Gleichheitsaxiomen in der obigen
Formulierung.
Satz 3.6.5.
-
wobei Sym := ∀x∀y
(x
y ⇒
y
x)
-
wobei
Satz 3.6.6.
-
Jede normale Interpretation ist ein Modell von
.
-
Zu jedem Modell M von
gibt es ein normales Modell M' von
, so
dass für jede
-Formel F gilt
gdw. M'
F
-
Für jede Formelmenge S und jede Formel F
gilt
gdw. S ∪
F.
Beweis: (skizziert)
-
Im wesentlichen durch Ausrechnen. Die Gleichheitsrelation
besitzt die von
verlangten Eigenschaften.
-
Sei M = (D,Ab,U) das Modell von
.
Wir schreiben ~ für die zweistellige Relation
Ab(
) auf dem Universum
D.
Da M die Formeln in
erfüllt,
kann man leicht nachweisen, dass ~ eine Äquivalenzrelation ist.
Obendrein besitzt sie folgende Strukturverträglichkeitseigenschaften, ist also eine
Kongruenzrelation:
Für jedes n-stellige Funktionssymbol f:
wenn
, dann
Ab(f)(d1,...,dn) ~ Ab(f)(e1,...,en).
Für jedes n-stellige Relationssymbol p:
wenn
,
dann (d1,...,dn)∈Ab(p) gdw.
(e1,...,en)∈Ab(p).
Für jedes d ∈ D bezeichne [d] die
Äquivalenzklasse bezüglich ~. Es gilt also d ~ e gdw.
[d]=[e]. Wir definieren
.
![$U'(x) := [U(x)]$](img786.gif) |
:= |
[Ab(c)] |
|
|
für 0-stelliges Funktionssymbol c |
| Ab'(f)([d1],...,[dn]) |
:= |
[Ab(f)(d1,...,dn)] |
|
|
für n-stelliges (n≥1) Funktionssymbol f |
| Ab'(p) |
:= |
Ab(p) |
|
|
für 0-stelliges Relationssymbol p |
| Ab'(p) |
:= |
{([d1],...,[dn]) | (d1,...,dn)∈Ab(p)} |
|
|
für n-stelliges (n≥1) Relationssymbol p |

M' := (D',Ab',U')
Dass Ab' wohldefiniert ist, ergibt sich unmittelbar aus den obigen
Kongruenzeigenschaften von ~.
Durch strukturelle Induktion zeigt man, dass für jede
Formel F gilt
gdw.
M'
F.
-
,,→``: Wir nehmen an, es gilt
.
Sei M ein Modell von S ∪
.
Nach 2. gibt es ein normales Modell M' von S∪
,
das dieselben Formeln erfüllt wie M. Nach Annahme gilt
M'
F.
Also gilt auch
.
,,←``: Wir
nehmen an, es gilt S ∪
.
Sei M' ein normales Modell von S. Nach 1.
ist M' auch ein Modell von
.
Nach Annahme gilt dann auch M'
F.
Dieses Ergebnis mildert die Bemerkungen im Anschluss an den
Modellerweiterungssatz wieder ab. Zwar kann man mit
oder mit einer anderen Formelmenge nicht verhindern, dass das
Gleichheitsrelationssymbol mit einer größeren Relation
als der Gleichheit interpretiert wird. Aber in diesen
größeren Modellen gilt auch nicht mehr und nicht weniger
als in dem entsprechenden normalen Modell, und die
Folgerungsbeziehung verändert sich dadurch auch nicht.
Validierung