人工智能通识-科普-哥德尔的不完备定理

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匹诺曹有一天说了这样一句话:“我的鼻子会马上变长。”然后会怎样呢?如果鼻子变长,那么匹诺曹就说的是真话,所以鼻子不应该变长。如果鼻子没有变长,那么匹诺曹说的就是假话,所以鼻子必须变长。

结果呢?鼻子炸了。

说谎者悖论

矛盾并不是起于匹诺曹。

公元6世纪,一个克里特的哲学家说了一句名言:“所有克里特人都是满嘴谎话”。这个百年老坑挖的好,自己也掉里面了。
如果这句话是真的,那么所有克里特人都是说谎的,哲学家自己也是克里特人,那么他也是说谎的,这句话也应该是谎话,这就又产生矛盾了,这句话到底是真的还是假的?

说谎者悖论的精简版本是:“我在说谎”。
如果你没在说谎,那么你就说谎了;如果你在说谎,那么你是在说真话。

这是个双人版本,左边的说右边的没撒谎,右边的说左边的撒谎了。如果左边的没撒谎,那么右边的也没撒谎,但右边的又说左边的肯定撒谎了,那么到底左边的有没有撒谎?

问题在哪里?

这种问题像是一个无限循环的自我指涉逻辑嵌套,就像我们无法回答下图镜子中有多少个拉奥纳多一样,我们也无法回答说谎者悖论。

其次这个矛盾是巧妙地混用了“真值为真”和“语义为真”,创造了一个“含义为真却真值不能同时为真”的命题。“我在说谎”,我真的在说谎和我这句话是谎话本身就是矛盾的,但又并不违背逻辑。

所以后来有人提出把语言的形式判断和语义判断分在不同层级,然后强制不能逆层级进行判断,只能从形式判断语义,而不能从语义来反推形式。——这实际上实在“立法禁止”产生矛盾,但并没有解决矛盾。

也许这个悖论恰好告诉我们一个真理,即我们所处的世界并非是完美的逻辑自洽(无矛盾)的。

另外还有一个有趣的悖论,“理发师悖论”(等价于“罗素悖论”),即某城的一个理发师发誓,只给而且必须给城里所有不自己理发的人理发。问题在于他是否要给自己理发?——这个问题的矛盾似乎更容易破解,只要把理发师当做城外人就可以了。

关于皮亚诺算术公理Peano axioms

皮亚诺公理是意大利数学家朱塞佩·皮亚诺 Giuseppe Peano在19世纪末期所构造的算术公理系统中的公理,它包括:

  1. 是自然数;
  2. 每一个确定的自然数a,都有一个确定的后继数a' ,a' 也是自然数(一个数的后继数就是紧接在这个数后面的数,例如,1的后继数是2,2的后继数是3等等);
  3. 对于每个自然数b、c,b=c当且仅当b的后继数=c的后继数; 1不是任何自然数的后继数;
  4. 任意关于自然数的命题,如果证明了它对自然数1是对的,又假定它对自然数n为真时,可以证明它对n' 也真,那么,命题对所有自然数都真。(这条公理假设了数学归纳法的正确性)

后来这里的1被改为了0.

希尔伯特的23个问题

大卫·希尔伯特David Hilbert,德国人,是19世纪初期最伟大的数学家之一。


1900年,他在巴黎的国际数学家大会上做了作了《数学问题》主题演讲,提出的一系列问题,被称为希尔伯特的23个问题,这些问题为20世纪的许多数学研究指出方向。

其中第二个问题是算术公理(皮亚诺算术公理系统)是相容的(无矛盾的)。

20世纪20年代,希尔伯特更是启动了一项宏伟的计划,大意是建立一组公理体系,使一切数学命题原则上都可由此经有限步推定真伪,这叫做公理体系的“完备性”;并且公理体系保持“独立性”(即所有公理都是互相独立的,使公理系统尽可能的简洁)和“无矛盾性”(即相容性,不能从公理系统导出矛盾)。

哥德尔不完备定理

希尔伯特的计划才启动不久,1931年,库尔特·哥德尔就给出证明:任何无矛盾的公理体系,只要包含初等算术的陈述,则必定存在一个不可判定命题,用这组公理不能判定其真假。也就是说,“无矛盾”和“完备”是不能同时满足的!这便是闻名于世的哥德尔不完全性定理。

哥德尔的证明思路即很巧妙的利用了类似“说谎者悖论”逻辑产生的悖论。

哥德尔1931年发表了两条定理:

  • 任何兼容的形式系统,只要蕴涵皮亚诺算术公理,就可以在其中构造在体系中不能被证明的真命题,因此通过推演不能得到所有真命题(即体系是不完备的)。
  • 任何逻辑自洽的形式系统,只要蕴涵皮亚诺算术公理,它就不能用于证明它本身的一致性。

哥德尔的不完备定理证明了基本算术的兼容性不能在自身内部证明,因此当然就不能用来证明比它更强的系统的兼容性了,这直接否定了希尔伯特的伟大哲学计划。同时也是对对希尔伯特23问题中第二个问题的证伪。


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