Pinky: Móżdżku, co będziemy robić dzisiaj wieczorem?

Mózg: Dokładnie to samo, zawsze, Pinky, zdobędziemy władze nad światem!

woda.jpg

W poprzednim wpisie opisałem sposób wyliczania odczepionej grupy homologii dla prostego ( ale już nie trywialnego) przykładu dowodu sprzecznego. Przypomnijmy że dla grup kompleksów łańcuchowych tego obiektu geometrycznego tworzymy ciąg grup homologii {H_n} za pomocą schematu pomocniczego:

\displaystyle 0 \overset{\partial_3}{\longrightarrow} C_{2} \overset{\partial_2}{\longrightarrow} C_{1} \overset{\partial_1}{\longrightarrow} C_{0} \overset{\partial_0 = 0 }{\longrightarrow} 0

n-ta grupa homologii to grupa ilorazowa:

\displaystyle H_n = ker(\partial_n)/img(\partial_{n+1})

W przypadku grupy odczepionej {H_a} postąpiliśmy nieco inaczej. Zdefiniowałem mianowicie dodatkowe mapowanie {\partial_a} który przyporządkowywał wierzchołkom grafu obiekty geometryczne ( dla wierzchołka {a} taki obiekt geometryczny oznaczałem{|a|} ) wraz z informacja o ich wewnętrznej strukturze. W naszym przypadku, a stale mówimy o obiektach geometrycznych będących odwzorowaniem obiektów logicznych – ciagów dowodowych w systemie formalnym z regułą modus ponens -mapowanie {\partial_a} miało następującą własność:

\displaystyle \partial_a(\neg q) = - \partial_a(q)

gdzie {q} w poyższym wyrażeniu jest zdaniem logicznym. W następnym kroku definiowałem odszczepioną grupę homologii {H_a} jako:

\displaystyle H_n = ker(\partial_a)/img(\partial_{1})

Przyglądnijmy się bliżej mapowaniu {\partial_a}.

Obecny wpis zacznijmy może od tego że przypomnę miejsce odwzorowania {\partial_a} w diagramie grup kompleksów łańcuchowych:

HomologiaOdczepiona

Widzimy wyraźnie że zdefiniowałem nowy kompleks łańcuchowy {C_a} który jest dziedziną odwzorowania {\partial_a}. Zbiór ten jest obrazem grupy cykli krawędziowych {C_1} pod działaniem odwzorowania {\partial_1} Jego elementami nie są jednak wierzchołki, a obiekty posiadające wewnętrzną strukturę. Z jednej strony bowiem spełniają one zależności wynikające z faktu bycia brzegiem grupy cykli krawędziowych {C_1}, czyli w wypadku tych obiektów, ich struktura niesie dodatkową informację o fakcie że są one spięte w pętle simpleksów reprezentujących reguły modus ponens. I faktycznie, jak czytelnik może pamięta, pisałem że: { img (\partial_1) = <b-a,c-b,c-a> } oraz, że dodatkowo {x+y-z=0} gdzie {x,y,z} reprezentowały wierzchołki złożone w krawędzie simpleksu reprezentującego {MP(a,b)=c}. Innymi słowy działanie mapowania {\partial_1} jest identyczne jak w wypadku normalnej definicji grup homologii. Operator {\partial_a} działa na grupie cykli wierzchołków. Formalnie rzecz biorąc, grupa ta to {C_0} i na diagramie grupa taka znajduje sie w „ciągu głównym” grup łańcuchów. W naszym jednak przypadku mapowanie {\partial_a} działa na tym zbiorze wyciągając z niego dodatkową informację, stąd właściwym jest odróżnienie go od zwykłego zbioru {C_0} który zawiera przecież tylko wierzchołki. Co więcej, obrazem {\partial_a} w działaniu na zbiór {C_a} nie jest bynajmniej 0, pomimo iż tak właśnie narysowałem na diagramie powyżej. Czytelnik wybaczy to oszustwo, w istocie w miejscu 0 powinna znajdować sie grupa ( powiedzmy) {C_{0a}} która zawiera punkty geometryczne wierzchołków uzupełnione o informację o ich strukturze wewnętrznej. Nie jest to jednak grupa łańcuchowa równoważna {C_0} gdyż w obiekcie tym nie leży żaden obraz {\partial_1}. Jest tak, gdyż działanie operatora {\partial_a} skutecznie usuwa z tej struktury informacje o spięciu w krawędzie. Przyznam że spędziłem jakiś czas usiłując „włożyć” grupę {C_a} pomiędzy {C_1} i {C_0} ale nie widzę za bardzo takiej możliwości ( chyba ze kosztem znacznego skomplikowania). Prawdziwy diagram grup łańcuchowych powinien wiec wyglądać tak:

HomologiaOdczepionaPoprawnie

Przyglądnijmy sie teraz działaniu odwzorowania {\partial_a}. Odwzorowanie to przypisuje elementowi grupy łańcuchów 0-wymiarowych, element w grupie abelowej {C_0a}. W grupie tej różnym elementom {C_a} przypisywane są różne elementy, poza sytuacją kiedy elementy {C_a} związane sa relacją:

\displaystyle p = \neg q

dla pewnych zdań {p} i {q}. Widać wyraźnie ze tego typu odwzorowanie uwzględnia dodatkową informację o negacji zdań logicznych.

Być może czytelnikowi umknęła jeszcze jedna subtelność, którą chciałbym tu wyciągnąć na światło dzienne. Mianowicie w pierwszym dowodzie mieliśmy następująca sytuację: w grafie złożonym z zdań {a="a",b="a\rightarrow a",c="a"} zdania {a} i {c} zostały potraktowane jako różne. Właściwie to jest to błąd. Zdania te to w istocie jedno i to samo zdanie, którego obrazem w grupie {C_a} jest jeden element. Gdyby było inaczej, w grupie tej istniałby nietrywialny cykl (postaci {a-b} gdzie a i b byłyby dwoma obrazami tego samego zdania {q} ) i grupa homologiczna odczepiona dla dowodu niesprzecznego byłaby nietrywialna, czego wolelibyśmy uniknąć. Takie „sklejenie” zdań w obrazie {\partial_a} pozwala uniknąć nietrywialnych pętli występujących z powodu powtarzania sie zdań w dowodzie. Jednocześnie zdania zanegowane przekształcane są na rożne ( przeciwne!) elementy grupy {C_a} co pozwala nam nietrywialnie reprezentować sprzeczność dowodu.

Możemy podsumować. Odwzorowanie {\partial_a} działa w następujący sposób:

  • jego dziedziną jest zbiór  {C_a} wierzchołków grafu reprezentującego dowód
  • jego obrazem jest grupa przemienna {C_{0a}} łańcuchów 0-wymiarowych z uwzględnieniem struktury wewnętrznej zdań z poprzedniego punktu
  • na obecnym etapie uwzględniamy wyłącznie negację. Obrazami zdań {p} i {\neg p} są elementy wzajemnie odwrotne grupy {C_a} tak, że {\partial_{a} (p) + \partial_{a} (\neg p) =0}.
  • obrazami wierzchołków {p}  i {q = "p"}  w których mamy zdania syntaktycznie tożsamych jest ten sam element {|p|}  grupy  {C_a}

Grupa homologii jest {H_a} zdefiniowana jako grupa ilorazowa jądra przekształcenia {\partial_a} przez obraz {\partial_1} operatora brzegów jednowymiarowych na zbiorze krawędzi {C_1}. Właściwie to całe zagadnienie tym samym sprowadza sie do zdefiniowania {H_a} i do pojęcia grup homologii odnosi sie w zapewne dosyć odległy, a a na pewno nie jakiś szczególnie nietrywialny sposób. Z drugiej strony starałem sie złapań jakieś intuicje związane z pojęciem sprzeczności, i chyba całkiem nieźle sie to udało, biorąc pod uwagę, że w ramach przedstawionych rozważań jest w miarę oczywiste że skończone zbiory sprzeczne będą miały nietrywialne ( i skończone!) grupy {H_a} zaś zbiory niesprzeczne – grupy trywialne.

Dlaczego jest to interesujący fakt sam w sobie? Otóż od dłuższego czasu zastanawiało mnie, dlaczego sprzeczności logiczne, mają tak prostą postać syntaktyczną. Proszę porównać najprostszy ze znanych paradoksów w teorii zbiorów, paradoks Russella z aksjomatyką tej teorii ( na przykład w wersji naiwnej, albo ZFC). W każdym wypadku paradoks jest prostszy niż sama teoria! A paradoks kłamcy? Czy nie jest tak, że „każdy głupi go zrozumie”? A rozwiązanie? ło, doktoraty można robić… Tarski całą teorię modeli na tym zbudował. Mamy zatem paradoksy, a ich reprezentantami wydają się być niewielkie, a czasami nawet znaczeniowo, koncepcyjnie proste, zbiory zdań. Tymczasem okazuje sie że przy zastosowaniu odczepionej grupy topologii, sprzeczność ma odpowiednik w prostej postaci takiej grupy! Kontekst geometryczny nie jest tu całkiem od rzeczy. Widać że relatywnie proste rozumowanie ( dowód sprzeczny jaki podałem jako przykład odpowiada paradoksowi kłamcy) ma nietrywialna reprezentację geometryczną, w postaci simpleksu w którym grupa odczepiona jest nietrywialna. Dlaczego zatem paradoksy są tak proste? Chciałoby się odwrócić całe rozumowanie: „Bo struktury geometryczne proste są same w sobie”. Czy istnieją „skomplikowane paradoksu”? Oczywiście istnieją takie które wymagają wielu zdań by je zapisać, i zapewne odwzorują się w skomplikowaną strukturę geometryczną. Ale z tego co napisałem/zdefiniowałem wydaje się że nadal nie będziemy mieli w takich paradoksach niczego istotnie innego niż w tych prostych. Zapewne będą im odpowiadały bardziej złożone grupy odczepione, ale należy przypuszczać że nadal będą to sumy proste grup {Z_2}( po jednej grupie dla każdej pary zdań sprzecznych, lub wy wypadku paradoksów typu „koło kłamców” grupy cykliczne rozmiaru n, co będziemy zapewne analizować w jednym z przyszłych wpisów) a ta występuje już w bardzo prostym przypadku rozumowania sprzecznego. I to jest coś co wydaje mi się ciekawe…

A co dalej? Kolejne działania powinny polegać na analizie struktur coraz bardziej złożonych, a na koniec nieskończonych zbiorów zdań związanych relacją konsekwencji syntaktycznej modus ponens.I zapewne będę o tym jeszcze pisał.

Wymieńmy możliwe uogólnienia:

  • moglibyśmy analizować bardziej złożoną strukturę wewnętrzną zdań w wierzchołkach. W miejsce operatora {\partial_a} można by wprowadzić inny, który byłby czuły na występowanie alternatywy, koniunkcji lub jeszcze bardziej złożonych struktur. Pewne przekształcenia syntaktyczne mają całkiem ładną strukturę wewnętrzną, powiedzmy prawa de Morgana odznaczają sie sporą dozą (syntaktycznej) symetrii, co pozwalałoby odwzorowywać wierzchołki w grupy o niebanalnej strukturze. Marzy mi sie coś w rodzaju teorii Galois dla logiki, budowanej w języku algebry homologicznej…
  • można sobie wyobrazić cały ciąg grup odczepionych, który gubiłby informację o geometrii triangulacji dowodu ( właściwie nie jest ona jak na razie szczególnie ciekawa…) ale wyciągałby na światło dzienne, informacje o wewnętrznej strukturze zdań. Być może to jest najbardziej obiecujące uogólnienie/droga rozwoju tego pomysłu?
  • od strony teorii homologii, pomysł wydaje sie być dosyć oryginalny ( ale nie wiem czy interesujący). Operacje odczepienia można bowiem wykonać nie tylko dla wierzchołków! Możliwe jest przecież obdarzenie krawędzi simpleksów, ich elementów 2-wymiarowych i w ogólności n-wymiarowych, w jakąś dodatkową strukturę. Na każdym etapie n, można „coś odczepić” definiując odpowiednie operatory {\partial^n_a} analizujące strukturę symetrii takich obiektów w relacji do ich „umieszczenia” w całym kompleksie, która jest zadana przez klasyczny operator {\partial_n}. To czego nie widać ( i co nieco rozczarowuje) to fakt, iż nie bardzo mam pomysł jak powiązać ( i czy w ogóle istnieje takie powiązanie!) grupy odczepione na różnym poziomie n. A priori, w strukturze abstrakcyjnej można oczywiście budować tu jakieś abstrakcyjne obiekty, mnie wszakże interesowałoby podanie jakiegoś modelu takiego zjawiska. Modelu – czyli struktury która by niosła ciekawą informację w grupach odczepionych a jednocześnie pozwalała je definiować dla kilku poziomów struktur….

I to na tyle dziś.