接上文,本篇文章會處理一些有關於直覺主義算術 mathbf{HA} 的問題,主要是 mathbf{HA}mathbf{PA} 之間的關係。

一些約定:

  1. 等詞的公理將省略全稱實例化視為規則 mathrm{EQ} 直接應用。
  2. 等詞的否定的公理 forall xforall y(x
e y	o y
e x) 證明從略,同樣視為規則 mathrm{NE} 直接應用。
  3. 歸納公理模式也將作為一條規則 mathrm{Ind} 來使用。

mathbf{HA} 中的雙否定除去

引理4 mathbf{HA}vdash_Iforall xforall y(x=ylor x
e y)

證明 要證明該命題成立,需要連續使用三次歸納公理模式。首先歸納證明 forall y(0=ylor0
e y) 。然後是 forall x(forall y(x=ylor x
e y)	oforall y(x=ylor x
e y)) ,其中 forall y(b=ylor b
e y)b=0lor b
e 0forall y(b=ylor b
e y	o b=ylor b
e y) (及前提 forall y(b=ylor b
e y) )證得。綜合前兩者即得 forall xforall y(x=ylor x
e y)

varphi(a):=0=alor 0
e a

再令 varphi(a):=b=alor b
e apsi(b):=forall y(b=ylor b
e y)

由這兩者歸納即得 forall xforall y(x=ylor x
e y)

引理5 對於任意公式 varphivarphilor
egvarphivdash_I
eg
egvarphi	ovarphi

定理6 對於任意算術原子公式 varphi(m{t}) ,均有 mathbf{HA}vdash_I
eg
egvarphi(m{t})	ovarphi(m{t})

證明 由公式的定義,每一個原子公式 varphi(m{t}) 都必定擁有以下兩種形式之一: P(m{t})a=b (此時 m{t}=(a,b) )。

  • varphi(m{t})=P(m{t}) ,由於公式必定是有限長的,由我們在上篇文章中引入的約定 forallm{x}
eg
eg P(m{x})	o P(m{x}) 有限次應用 forall_- 即得證。
  • varphi(m{t})=(a=b) ,應用兩次 forall_- 後由引理4及引理5得證。

推論7 對於任意不含 lorexists 的算術公式,均有 mathbf{HA}vdash_I
eg
egvarphi	ovarphi

證明 由引理1,定理6對公式結構做歸納。

注意由於上篇文章中對可容許的公理的限制,推論7對 mathbf{HA} 自身同樣有效。

主要結論

定理8 對於任意不含 lorexists 的算術公式 varphimathbf{PA}vdash_Cvarphi 當且僅當 mathbf{HA}vdash_Ivarphi

這就是上一篇文章開頭的(2)。我們假設這些限制對 mathbf{PA} 同樣有效,即 mathbf{PA}mathbf{HA} 的公理必須是相同的。

證明 效仿定理3的處理方式,把每一個證明過程中可能出現的 lorexists 都替換成 landforall ,並填補證明中的gap。由推論7,證明中所有對 mathrm{RAA} 的應用都是直覺主義有效的,即該證明是一個合法的直覺主義證明。又因為前提 mathbf{PA}=mathbf{HA} 和結論 varphi 中都不含有這兩個符號,不受替換的影響,定理得證。

推論9 對於任意算術公式 varphi ,存在一經典等價公式 varphi^* 滿足 mathbf{PA}vdash_Cvarphi 當且僅當 mathbf{HA}vdash_Ivarphi^*

這基本就是把定理3重說了一遍,只要注意到 mathbf{HA}vdash_Imathbf{HA}^*forallvarphiinmathbf{HA}^*(mathbf{HA}vdash_Ivarphi) )即可。

定理10 mathbf{HA} 一致蘊含 mathbf{PA} 一致。

我們說一個理論 T 一致當且僅當 T
vdashvarphiland
egvarphi ,其中 varphi 是任意命題。

證明 我們證它的逆否命題。假設 mathbf{PA}vdash_Cvarphiland
egvarphi ,那麼由推論9, mathbf{HA}vdash_Ivarphi^*land(
egvarphi)^*=varphi^*land
egvarphi^* ,即 mathbf{PA} 不一致蘊含 mathbf{HA} 不一致。


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