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不完全性定理入門
from 「コンピュータは数学者になれるのか?」
不完全性定理をちょっとでも
分かりたい
理性の限界を示した、なんて言われることもある不完全性定
理。しかし、その意味を厳密に掴むのは難しい。かの天才物
理学者ペンローズすらも誤用したほどだ。
多面的に掴むには、数学的にも哲学的にも、あまりにも深い
定理だ、と言われる。
今回は、コンピュータサイエンスの文脈で不完全性定理を考
えてみる。
コンピュータは数学者になれ
るのか
照井一成氏のこちらの本。
第2章 形式系やコンピュータの
限界に関わる成果についてまとめ
て、「コンピュータは数学者にな
れるのか」というテーマに迫りま
す
・タルスキの真理定義不能性
・チューリングの決定不能性
・ゲーデルの第一不完全性定理
形式系って?
言語と推論規則を定めたもの → 「証明」を厳密化できる
数学について論じることでもあり、数学を厳密化しようとい
う動きに対応する
形式系という土台を定義することで、人工数学者を厳密に考
えていくことができる
ゲーデル符号化
様々な記号表現を自然数で表す
形式系の論理式や証明図に適用
→ 形式系の内部で形式系について語れるようになった
論理式を用いて何事かを述べるだけではなく、論理式につい
て述べることができる
ゲーデル符号化のおかげで論理式
について述べることができる
論理式についての性質をいろいろと記述できる
ℕ ⊨ formula(n) ⟺ nは論理式(のゲーデル数)である
ℕ ⊨ sentence(n) ⟺ nは文(のゲーデル数)である
これらは「文法」についての性質
→「意味的な性質」について初等数論の論理式を用いて
記述できるか
定理2.3 不動点
どんな1変数論理式A(x)に対しても、文DAが存在して次のこ
とが成り立つ
ℕ ⊨ DA ⟺ A(文DAのゲーデル数)
数学の不動点とは、関数を作用させても動かない点のこと
初等数論の言語においても成り立つ
定理2.4 真理定義不能性
次の性質を満たす1変数論理式 true(x)は存在しない。任意の
文Aについて
ℕ ⊨ A ⟺ ℕ ⊨ true(Aのゲーデル数)
初等数論の言語の表現力に一定の限界がある
ある言語における真理概念は同じ言語を用いたのでは定義で
きない
計算課題
ゲーデル符号化により、どんな入力も1つの自然数で表せ
る
→ 計算課題は自然数の集合により表現できる
計算課題の決定可能性
次のようなプログラムPが存在するとき、Xは決定可能
𝑛∈X ⇒ P(𝑛) = yes
𝑛∉X ⇒ P(𝑛) = no
次のようなプログラムQが存在するとき、Xは半決定可能
𝑛∈X ⟺ Q(𝑛) = yes
Pは必ず停止するが、Qは何千兆年経っても止まらないかもし
れない
コンピュータの限界(チューリ
ングの決定不能性)
停止問題
入力 プログラムPと自然数n
質問 P(n)は停止するか?
プログラムを用いてプログラムの停止を判定しなければならない
自己参照的だ…
定理 2.10
停止問題は半決定可能ではあるが、決定可能ではない
𝜮₁論理式と𝜫₁論理式
・∃x₁ … ∃x𝑛 A を𝜮₁論理式
真なときには、検証を続けていけばいつかは真だとわかる
・∀x₁ … ∀x𝑛 A を𝜫₁論理式
偽なときには、検証を続けていけばいつかは偽とわかる
→ 正しさを確かめるのは𝜮₁文のほうが圧倒的にかんたん
𝜮₁と𝜫₁はコインの裏表の関係
「すべてのxについてA(x)が成り立つ」の否定は、「あるxが存在し
てA(x)が成り立たない」(ドモルガンの法則)
補足:無矛盾性・完全性
無矛盾性
任意の論理式Aに対して、Aと¬Aの両方は形式的に証明でき
ない
完全性
任意の文Aに対して、Aと¬Aの少なくとも片方は形式的に証
明できる
定理2.16 第一不完全性
形式系TはQのRE拡大であるとする。この時ある𝜫₁文
Gtが存在して次のはことが成り立つ
(1)Tが無矛盾ならばTはGtを証明できない
(2)Tが1-無矛盾ならばTはGtの否定を証明できない
定理2.17
形式系TはQのRE拡大であるとする。このときTのゲーデ
ル文Gtについて次が成り立つ
Tは無矛盾 ⟺ TはGtを証明できない ⟺ Gtは真
Tが無矛盾である限り、Tには証明できない
真理が存在する
不完全性定理の意味
絶対に証明できない真理が存在する ❌
どんなに天才的な数学者であっても、彼女には証明で
きない真理が存在する
不完全なのは数学ではなく、数学者
形式系に潜む根本的な限界を示唆
「すべての真理を証明しうるような数学者を作る」こ
とはできない
自分の証明能力について認識できてい
る
自分自身についての事柄をも証明する能力を得てしまった
Q ⊦ A ならば Q ⊦ provQ(Aのゲーデル数)
もしもQ氏がAを証明できるならば、彼女は「自分はAを証明
できる」ことも証明できてしまう
自己言及できるならば、対角線論法の餌食になってしまう
第二不完全性定理が出てくるわけ
第一不完全性定理の証明の手続きは、すべて初等数論でかける。人が
証明してきた第一不完全性定理を、今度は人工数学者に証明させる。
すると
T ⊦ Cont ⟷ Gt
(Contは「Tは無矛盾である」を表す論理式)
第一不完全性定理(1)より、Tが無矛盾ならばTはGtを証
明できない
第二不完全性定理
T ⊦ Cont ⟷ Gt だから
第一不完全性定理(1)より、Tが無矛盾ならばTは「T ⊦ Cont」
を証明できない
無矛盾なTは、自分が無矛盾であることを証明できない
自己完結的な無矛盾性の可能性を否定。
自己正当化しつつ数学を土台から構築していく可能性はついえた
補足 不完全性定理(結城浩 数学ガール ゲーデルの不完全性定理)より
第一不完全性定理
ある条件を満たす形式系には、以下の両方が成り立つ文Aが存在
する
・その形式系には、Aの形式的証明は存在しない
・その形式系には、¬Aの形式的証明は存在しない
第二不完全性定理
ある条件を満たす形式系には、自己の無矛盾性を表現する文の形
式的証明は存在しない
補足 不完全性定理(野矢茂樹 無言論の教室)より
第一不完全性定理
無矛盾で完全な自然数論の公理系を作ることはできない
第二不完全性定理
有限の立場のメタ数学では自然数論の無矛盾性は証明不可
能
まとめ
・真理定義不能性により、真理の書は一つの論理式では記述
できない。不完全性定理により、同書は一つの形式系では覆
いつくせない。
→ 「すべての真理を証明しうるような数学者を作る」はで
きない
・チューリングの決定不能性により、コンピュータに推論さ
せるには、理論的な限界が存在する

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