products/sources/formale sprachen/Coq/theories/Logic image not shown  

Quellcode-Bibliothek

© Kompilation durch diese Firma

[Weder Korrektheit noch Funktionsfähigkeit der Software werden zugesichert.]

Datei: ClassicalFacts.v   Sprache: Coq

Original von: Coq©

(* -*- coding: utf-8 -*- *)
(************************************************************************)
(*         *   The Coq Proof Assistant / The Coq Development Team       *)
(*  v      *   INRIA, CNRS and contributors - Copyright 1999-2018       *)
(* <O___,, *       (see CREDITS file for the list of authors)           *)
(*   \VV/  **************************************************************)
(*    //   *    This file is distributed under the terms of the         *)
(*         *     GNU Lesser General Public License Version 2.1          *)
(*         *     (see LICENSE file for the text of the license)         *)
(************************************************************************)

(** Some facts and definitions about classical logic

Table of contents:

1. Propositional degeneracy = excluded-middle + propositional extensionality

2. Classical logic and proof-irrelevance

2.1. CC |- prop. ext. + A inhabited -> (A = A->A) -> A has fixpoint

2.2. CC |- prop. ext. + dep elim on bool -> proof-irrelevance

2.3. CIC |- prop. ext. -> proof-irrelevance

2.4. CC |- excluded-middle + dep elim on bool -> proof-irrelevance

2.5. CIC |- excluded-middle -> proof-irrelevance

3. Weak classical axioms

3.1. Weak excluded middle

3.2. Gödel-Dummett axiom and right distributivity of implication over
     disjunction

3 3. Independence of general premises and drinker's paradox

4. Principles equivalent to classical logic

4.1 Classical logic = principle of unrestricted minimization

4.2 Classical logic = choice of representatives in a partition of bool
*)


(************************************************************************)
(** * Prop degeneracy = excluded-middle + prop extensionality      *)
(**
 i.e.        [(forall A, A=True \/ A=False)
                         <->
       (forall A, A\/~A) /\ (forall A B, (A<->B) -> A=B)]
*)


(** [prop_degeneracy] (also referred to as propositional completeness)
    asserts (up to consistency) that there are only two distinct formulas *)

Definition prop_degeneracy := forall A:Prop, A = True \/ A = False.

(** [prop_extensionality] asserts that equivalent formulas are equal *)
Definition prop_extensionality := forall A B:Prop, (A <-> B) -> A = B.

(** [excluded_middle] asserts that we can reason by case on the truth
    or falsity of any formula *)

Definition excluded_middle := forall A:Prop, A \/ ~ A.

(** We show [prop_degeneracy <-> (prop_extensionality /\ excluded_middle)] *)

Lemma prop_degen_ext : prop_degeneracy -> prop_extensionality.
Proof.
  intros H A B [Hab Hba].
  destruct (H A); destruct (H B).
    rewrite H1; exact H0.
    absurd B.
      rewrite H1; exact (fun H => H).
      apply Hab; rewrite H0; exact I.
    absurd A.
      rewrite H0; exact (fun H => H).
      apply Hba; rewrite H1; exact I.
    rewrite H1; exact H0.
Qed.

Lemma prop_degen_em : prop_degeneracy -> excluded_middle.
Proof.
  intros H A.
  destruct (H A).
    leftrewrite H0; exact I.
    rightrewrite H0; exact (fun x => x).
Qed.

Lemma prop_ext_em_degen :
  prop_extensionality -> excluded_middle -> prop_degeneracy.
Proof.
  intros Ext EM A.
  destruct (EM A).
    leftapply (Ext A True); split;
     [ exact (fun _ => I) | exact (fun _ => H) ].
    rightapply (Ext A False); split; [ exact H | apply False_ind ].
Qed.

(** A weakest form of propositional extensionality: extensionality for
    provable propositions only *)


Require Import PropExtensionalityFacts.

Definition provable_prop_extensionality := forall A:Prop, A -> A = True.

Lemma provable_prop_ext :
  prop_extensionality -> provable_prop_extensionality.
Proof.
  exact PropExt_imp_ProvPropExt.
Qed.

(************************************************************************)
(** * Classical logic and proof-irrelevance *)

(************************************************************************)
(** ** CC |- prop ext + A inhabited -> (A = A->A) -> A has fixpoint *)

(** We successively show that:

   [prop_extensionality]
     implies equality of [A] and [A->A] for inhabited [A], which
     implies the existence of a (trivial) retract from [A->A] to [A]
        (just take the identity), which
     implies the existence of a fixpoint operator in [A]
        (e.g. take the Y combinator of lambda-calculus)

*)


Local Notation inhabited A := A (only parsing).

Lemma prop_ext_A_eq_A_imp_A :
  prop_extensionality -> forall A:Prop, inhabited A -> (A -> A) = A.
Proof.
  intros Ext A a.
  apply (Ext (A -> A) A); split; [ exact (fun _ => a) | exact (fun _ _ => a) ].
Qed.

Record retract (A B:Prop) : Prop :=
  {f1 : A -> B; f2 : B -> A; f1_o_f2 : forall x:B, f1 (f2 x) = x}.

Lemma prop_ext_retract_A_A_imp_A :
  prop_extensionality -> forall A:Prop, inhabited A -> retract A (A -> A).
Proof.
  intros Ext A a.
  rewrite (prop_ext_A_eq_A_imp_A Ext A a).
  exists (fun x:A => x) (fun x:A => x).
  reflexivity.
Qed.

Record has_fixpoint (A:Prop) : Prop :=
  {F : (A -> A) -> A; Fix : forall f:A -> A, F f = f (F f)}.

Lemma ext_prop_fixpoint :
  prop_extensionality -> forall A:Prop, inhabited A -> has_fixpoint A.
Proof.
  intros Ext A a.
  case (prop_ext_retract_A_A_imp_A Ext A a); intros g1 g2 g1_o_g2.
  exists (fun f => (fun x:A => f (g1 x x)) (g2 (fun x => f (g1 x x)))).
  intro f.
  pattern (g1 (g2 (fun x:A => f (g1 x x)))) at 1.
  rewrite (g1_o_g2 (fun x:A => f (g1 x x))).
  reflexivity.
Qed.

(** Remark: [prop_extensionality] can be replaced in lemma [ext_prop_fixpoint]
    by the weakest property [provable_prop_extensionality].
*)


(************************************************************************)
(** ** CC |- prop_ext /\ dep elim on bool -> proof-irrelevance  *)

(** [proof_irrelevance] asserts equality of all proofs of a given formula *)
Definition proof_irrelevance := forall (A:Prop) (a1 a2:A), a1 = a2.

(** Assume that we have booleans with the property that there is at most 2
    booleans (which is equivalent to dependent case analysis). Consider
    the fixpoint of the negation function: it is either true or false by
    dependent case analysis, but also the opposite by fixpoint. Hence
    proof-irrelevance.

    We then map equality of boolean proofs to proof irrelevance in all
    propositions.
*)


Section Proof_irrelevance_gen.

  Variable bool : Prop.
  Variable true : bool.
  Variable false : bool.
  Hypothesis bool_elim : forall C:Prop, C -> C -> bool -> C.
  Hypothesis
    bool_elim_redl : forall (C:Prop) (c1 c2:C), c1 = bool_elim C c1 c2 true.
  Hypothesis
    bool_elim_redr : forall (C:Prop) (c1 c2:C), c2 = bool_elim C c1 c2 false.
  Let bool_dep_induction :=
  forall P:bool -> Prop, P true -> P false -> forall b:bool, P b.

  Lemma aux : prop_extensionality -> bool_dep_induction -> true = false.
  Proof.
    intros Ext Ind.
    case (ext_prop_fixpoint Ext bool true); intros G Gfix.
    set (neg := fun b:bool => bool_elim bool false true b).
    generalize (eq_refl (G neg)).
    pattern (G neg) at 1.
    apply Ind with (b := G neg); intro Heq.
    rewrite (bool_elim_redl bool false true).
    change (true = neg true); rewrite Heq; apply Gfix.
    rewrite (bool_elim_redr bool false true).
    change (neg false = false); rewrite Heq; symmetry ;
      apply Gfix.
  Qed.

  Lemma ext_prop_dep_proof_irrel_gen :
    prop_extensionality -> bool_dep_induction -> proof_irrelevance.
  Proof.
    intros Ext Ind A a1 a2.
    set (f := fun b:bool => bool_elim A a1 a2 b).
    rewrite (bool_elim_redl A a1 a2).
    change (f true = a2).
    rewrite (bool_elim_redr A a1 a2).
    change (f true = f false).
    rewrite (aux Ext Ind).
    reflexivity.
  Qed.

End Proof_irrelevance_gen.

(** In the pure Calculus of Constructions, we can define the boolean
    proposition bool = (C:Prop)C->C->C but we cannot prove that it has at
    most 2 elements.
*)


Section Proof_irrelevance_Prop_Ext_CC.

  Definition BoolP := forall C:Prop, C -> C -> C.
  Definition TrueP : BoolP := fun C c1 c2 => c1.
  Definition FalseP : BoolP := fun C c1 c2 => c2.
  Definition BoolP_elim C c1 c2 (b:BoolP) := b C c1 c2.
  Definition BoolP_elim_redl (C:Prop) (c1 c2:C) :
    c1 = BoolP_elim C c1 c2 TrueP := eq_refl c1.
  Definition BoolP_elim_redr (C:Prop) (c1 c2:C) :
    c2 = BoolP_elim C c1 c2 FalseP := eq_refl c2.

  Definition BoolP_dep_induction :=
    forall P:BoolP -> Prop, P TrueP -> P FalseP -> forall b:BoolP, P b.

  Lemma ext_prop_dep_proof_irrel_cc :
    prop_extensionality -> BoolP_dep_induction -> proof_irrelevance.
  Proof.
    exact (ext_prop_dep_proof_irrel_gen BoolP TrueP FalseP BoolP_elim BoolP_elim_redl
      BoolP_elim_redr).
  Qed.

End Proof_irrelevance_Prop_Ext_CC.

(** Remark: [prop_extensionality] can be replaced in lemma
    [ext_prop_dep_proof_irrel_gen] by the weakest property
    [provable_prop_extensionality].
*)


(************************************************************************)
(** ** CIC |- prop. ext. -> proof-irrelevance                   *)

(** In the Calculus of Inductive Constructions, inductively defined booleans
    enjoy dependent case analysis, hence directly proof-irrelevance from
    propositional extensionality.
*)


Section Proof_irrelevance_CIC.

  Inductive boolP : Prop :=
    | trueP : boolP
    | falseP : boolP.
  Definition boolP_elim_redl (C:Prop) (c1 c2:C) :
    c1 = boolP_ind C c1 c2 trueP := eq_refl c1.
  Definition boolP_elim_redr (C:Prop) (c1 c2:C) :
    c2 = boolP_ind C c1 c2 falseP := eq_refl c2.
  Scheme boolP_indd := Induction for boolP Sort Prop.

  Lemma ext_prop_dep_proof_irrel_cic : prop_extensionality -> proof_irrelevance.
  Proof.
    exact (fun pe =>
      ext_prop_dep_proof_irrel_gen boolP trueP falseP boolP_ind boolP_elim_redl
      boolP_elim_redr pe boolP_indd).
  Qed.

End Proof_irrelevance_CIC.

(** Can we state proof irrelevance from propositional degeneracy
  (i.e. propositional extensionality + excluded middle) without
  dependent case analysis ?

  Berardi [[Berardi90]] built a model of CC interpreting inhabited
  types by the set of all untyped lambda-terms. This model satisfies
  propositional degeneracy without satisfying proof-irrelevance (nor
  dependent case analysis). This implies that the previous results
  cannot be refined.

  [[Berardi90]] Stefano Berardi, "Type dependence and constructive
  mathematics", Ph. D. thesis, Dipartimento Matematica, Università di
  Torino, 1990.
*)


(************************************************************************)
(** ** CC |- excluded-middle + dep elim on bool -> proof-irrelevance *)

(** This is a proof in the pure Calculus of Construction that
    classical logic in [Prop] + dependent elimination of disjunction entails
    proof-irrelevance.

    Reference:

    [[Coquand90]] T. Coquand, "Metamathematical Investigations of a
    Calculus of Constructions", Proceedings of Logic in Computer Science
    (LICS'90), 1990.

    Proof skeleton: classical logic + dependent elimination of
    disjunction + discrimination of proofs implies the existence of a
    retract from [Prop] into [bool], hence inconsistency by encoding any
    paradox of system U- (e.g. Hurkens' paradox).
*)


Require Import Hurkens.

Section Proof_irrelevance_EM_CC.

  Variable or : Prop -> Prop -> Prop.
  Variable or_introl : forall A B:Prop, A -> or A B.
  Variable or_intror : forall A B:Prop, B -> or A B.
  Hypothesis or_elim : forall A B C:Prop, (A -> C) -> (B -> C) -> or A B -> C.
  Hypothesis
    or_elim_redl :
    forall (A B C:Prop) (f:A -> C) (g:B -> C) (a:A),
      f a = or_elim A B C f g (or_introl A B a).
  Hypothesis
    or_elim_redr :
    forall (A B C:Prop) (f:A -> C) (g:B -> C) (b:B),
      g b = or_elim A B C f g (or_intror A B b).
  Hypothesis
    or_dep_elim :
    forall (A B:Prop) (P:or A B -> Prop),
      (forall a:A, P (or_introl A B a)) ->
      (forall b:B, P (or_intror A B b)) -> forall b:or A B, P b.

  Hypothesis em : forall A:Prop, or A (~ A).
  Variable B : Prop.
  Variables b1 b2 : B.

  (** [p2b] and [b2p] form a retract if [~b1=b2] *)

  Let p2b A := or_elim A (~ A) B (fun _ => b1) (fun _ => b2) (em A).
  Let b2p b := b1 = b.

  Lemma p2p1 : forall A:Prop, A -> b2p (p2b A).
  Proof.
    unfold p2b; intro A; apply or_dep_elim with (b := em A);
      unfold b2p; intros.
    apply (or_elim_redl A (~ A) B (fun _ => b1) (fun _ => b2)).
    destruct (b H).
  Qed.

  Lemma p2p2 : b1 <> b2 -> forall A:Prop, b2p (p2b A) -> A.
  Proof.
    intro not_eq_b1_b2.
    unfold p2b; intro A; apply or_dep_elim with (b := em A);
      unfold b2p; intros.
    assumption.
    destruct not_eq_b1_b2.
    rewrite <- (or_elim_redr A (~ A) B (fun _ => b1) (fun _ => b2)) in H.
    assumption.
  Qed.

  (** Using excluded-middle a second time, we get proof-irrelevance *)

  Theorem proof_irrelevance_cc : b1 = b2.
  Proof.
    refine (or_elim _ _ _ _ _ (em (b1 = b2))); intro H.
    trivial.
    apply (NoRetractFromSmallPropositionToProp.paradox B p2b b2p (p2p2 H) p2p1).
  Qed.

End Proof_irrelevance_EM_CC.

(** Hurkens' paradox still holds with a retract from the _negative_
    fragment of [Prop] into [bool], hence weak classical logic,
    i.e. [forall A, ~A\/~~A], is enough for deriving a weak version of
    proof-irrelevance. This is enough to derive a contradiction from a
    [Set]-bound weak excluded middle with an impredicative [Set]
    universe. *)


Section Proof_irrelevance_WEM_CC.

  Variable or : Prop -> Prop -> Prop.
  Variable or_introl : forall A B:Prop, A -> or A B.
  Variable or_intror : forall A B:Prop, B -> or A B.
  Hypothesis or_elim : forall A B C:Prop, (A -> C) -> (B -> C) -> or A B -> C.
  Hypothesis
    or_elim_redl :
    forall (A B C:Prop) (f:A -> C) (g:B -> C) (a:A),
      f a = or_elim A B C f g (or_introl A B a).
  Hypothesis
    or_elim_redr :
    forall (A B C:Prop) (f:A -> C) (g:B -> C) (b:B),
      g b = or_elim A B C f g (or_intror A B b).
  Hypothesis
    or_dep_elim :
    forall (A B:Prop) (P:or A B -> Prop),
      (forall a:A, P (or_introl A B a)) ->
      (forall b:B, P (or_intror A B b)) -> forall b:or A B, P b.

  Hypothesis wem : forall A:Prop, or (~~A) (~ A).

  Local Notation NProp := NoRetractToNegativeProp.NProp.
  Local Notation El := NoRetractToNegativeProp.El.
  
  Variable B : Prop.
  Variables b1 b2 : B.

  (** [p2b] and [b2p] form a retract if [~b1=b2] *)

  Let p2b (A:NProp) := or_elim (~~El A) (~El A) B (fun _ => b1) (fun _ => b2) (wem (El A)).
  Let b2p b : NProp := exist (fun P=>~~P -> P) (~~(b1 = b)) (fun h x => h (fun k => k x)).

  Lemma wp2p1 : forall A:NProp, El A -> El (b2p (p2b A)).
  Proof.
    intros A. unfold p2b.
    apply or_dep_elim with  (b := wem (El A)).
    + intros nna a.
      rewrite <- or_elim_redl.
      cbn. auto.
    + intros n x.
      destruct (n x).
  Qed.

  Lemma wp2p2 : b1 <> b2 -> forall A:NProp, El (b2p (p2b A)) -> El A.
  Proof.
    intro not_eq_b1_b2.
    intros A. unfold p2b.
    apply or_dep_elim with  (b := wem (El A)).
    + cbn.
      intros x _.
      destruct A. cbn in x |- *.
      auto.
    + intros na.
      rewrite <- or_elim_redr. cbn.
      intros h. destruct (h not_eq_b1_b2).
  Qed.

  (** By Hurkens's paradox, we get a weak form of proof irrelevance. *)

  Theorem wproof_irrelevance_cc : ~~(b1 = b2).
  Proof.
    intros h.
    unshelve (refine (let NB := exist (fun P=>~~P -> P) B _ in _)).
    { exact (fun _ => b1). }
    pose proof (NoRetractToNegativeProp.paradox NB p2b b2p (wp2p2 h) wp2p1) as paradox.
    unshelve (refine (let F := exist (fun P=>~~P->P) False _ in _)).
    { auto. }
    exact (paradox F).
  Qed.

End Proof_irrelevance_WEM_CC.

(************************************************************************)
(** ** CIC |- excluded-middle -> proof-irrelevance               *)

(**
    Since, dependent elimination is derivable in the Calculus of
    Inductive Constructions (CCI), we get proof-irrelevance from classical
    logic in the CCI.
*)


Section Proof_irrelevance_CCI.

  Hypothesis em : forall A:Prop, A \/ ~ A.

  Definition or_elim_redl (A B C:Prop) (f:A -> C) (g:B -> C)
    (a:A) : f a = or_ind f g (or_introl B a) := eq_refl (f a).
  Definition or_elim_redr (A B C:Prop) (f:A -> C) (g:B -> C)
    (b:B) : g b = or_ind f g (or_intror A b) := eq_refl (g b).
  Scheme or_indd := Induction for or Sort Prop.

  Theorem proof_irrelevance_cci : forall (B:Prop) (b1 b2:B), b1 = b2.
  Proof.
    exact (proof_irrelevance_cc or or_introl or_intror or_ind or_elim_redl
      or_elim_redr or_indd em).
  Qed.

End Proof_irrelevance_CCI.

(** The same holds with weak excluded middle. The proof is a little
    more involved, however. *)




Section Weak_proof_irrelevance_CCI.

  Hypothesis wem : forall A:Prop, ~~A \/ ~ A.

  Theorem wem_proof_irrelevance_cci : forall (B:Prop) (b1 b2:B), ~~b1 = b2.
  Proof.
    exact (wproof_irrelevance_cc or or_introl or_intror or_ind or_elim_redl
      or_elim_redr or_indd wem).
  Qed.

End Weak_proof_irrelevance_CCI.

(** Remark: in the Set-impredicative CCI, Hurkens' paradox still holds with
    [bool] in [Set] and since [~true=false] for [true] and [false]
    in [bool] from [Set], we get the inconsistency of
    [em : forall A:Prop, {A}+{~A}] in the Set-impredicative CCI.
*)


(** * Weak classical axioms *)

(** We show the following increasing in the strength of axioms:
 - weak excluded-middle
 - right distributivity of implication over disjunction and Gödel-Dummett axiom
 - independence of general premises and drinker's paradox
 - excluded-middle
*)


(** ** Weak excluded-middle *)

(** The weak classical logic based on [~~A \/ ~A] is referred to with
    name KC in [[ChagrovZakharyaschev97]]

   [[ChagrovZakharyaschev97]] Alexander Chagrov and Michael
   Zakharyaschev, "Modal Logic", Clarendon Press, 1997.
*)


Definition weak_excluded_middle :=
  forall A:Prop, ~~A \/ ~A.

(** The interest in the equivalent variant
    [weak_generalized_excluded_middle] is that it holds even in logic
    without a primitive [False] connective (like Gödel-Dummett axiom) *)


Definition weak_generalized_excluded_middle :=
  forall A B:Prop, ((A -> B) -> B) \/ (A -> B).

(** ** Gödel-Dummett axiom *)

(** [(A->B) \/ (B->A)] is studied in [[Dummett59]] and is based on [[Gödel33]].

    [[Dummett59]] Michael A. E. Dummett. "A Propositional Calculus
    with a Denumerable Matrix", In the Journal of Symbolic Logic, Vol
    24 No. 2(1959), pp 97-103.

    [[Gödel33]] Kurt Gödel. "Zum intuitionistischen Aussagenkalkül",
    Ergeb. Math. Koll. 4 (1933), pp. 34-38.
 *)


Definition GodelDummett := forall A B:Prop, (A -> B) \/ (B -> A).

Lemma excluded_middle_Godel_Dummett : excluded_middle -> GodelDummett.
Proof.
  intros EM A B. destruct (EM B) as [HB|HnotB].
  leftintros _; exact HB.
  rightintros HB; destruct (HnotB HB).
Qed.

(** [(A->B) \/ (B->A)] is equivalent to [(C -> A\/B) -> (C->A) \/ (C->B)]
    (proof from [[Dummett59]]) *)


Definition RightDistributivityImplicationOverDisjunction :=
  forall A B C:Prop, (C -> A\/B) -> (C->A) \/ (C->B).

Lemma Godel_Dummett_iff_right_distr_implication_over_disjunction :
  GodelDummett <-> RightDistributivityImplicationOverDisjunction.
Proof.
  split.
    intros GD A B C HCAB.
    destruct (GD B A) as [HBA|HAB]; [left|right]; intro HC;
      destruct (HCAB HC) as [HA|HB]; [ | apply HBA | apply HAB | ]; assumption.
    intros Distr A B.
    destruct (Distr A B (A\/B)) as [HABA|HABB].
      intro HAB; exact HAB.
      rightintro HB; apply HABA; right; assumption.
      leftintro HA; apply HABB; left; assumption.
Qed.

(** [(A->B) \/ (B->A)] is stronger than the weak excluded middle *)

Lemma Godel_Dummett_weak_excluded_middle :
  GodelDummett -> weak_excluded_middle.
Proof.
  intros GD A. destruct (GD (~A) A) as [HnotAA|HAnotA].
    leftintro HnotA; apply (HnotA (HnotAA HnotA)).
    rightintro HA; apply (HAnotA HA HA).
Qed.

(** ** Independence of general premises and drinker's paradox *)

(** Independence of general premises is the unconstrained, non
    constructive, version of the Independence of Premises as
    considered in [[Troelstra73]].

    It is a generalization to predicate logic of the right
    distributivity of implication over disjunction (hence of
    Gödel-Dummett axiom) whose own constructive form (obtained by a
    restricting the third formula to be negative) is called
    Kreisel-Putnam principle [[KreiselPutnam57]].

    [[KreiselPutnam57]], Georg Kreisel and Hilary Putnam. "Eine
    Unableitsbarkeitsbeweismethode für den intuitionistischen
    Aussagenkalkül". Archiv für Mathematische Logik und
    Graundlagenforschung, 3:74- 78, 1957.

    [[Troelstra73]], Anne Troelstra, editor. Metamathematical
    Investigation of Intuitionistic Arithmetic and Analysis, volume
    344 of Lecture Notes in Mathematics, Springer-Verlag, 1973.
*)


Definition IndependenceOfGeneralPremises :=
  forall (A:Type) (P:A -> Prop) (Q:Prop),
    inhabited A -> (Q -> exists x, P x) -> exists x, Q -> P x.

Lemma
  independence_general_premises_right_distr_implication_over_disjunction :
  IndependenceOfGeneralPremises -> RightDistributivityImplicationOverDisjunction.
Proof.
  intros IP A B C HCAB.
  destruct (IP bool (fun b => if b then A else B) C true) as ([|],H).
    intro HC; destruct (HCAB HC); [exists true|exists false]; assumption.
    left; assumption.
    right; assumption.
Qed.

Lemma independence_general_premises_Godel_Dummett :
  IndependenceOfGeneralPremises -> GodelDummett.
Proof.
  destruct Godel_Dummett_iff_right_distr_implication_over_disjunction.
  auto using independence_general_premises_right_distr_implication_over_disjunction.
Qed.

(** Independence of general premises is equivalent to the drinker's paradox *)

Definition DrinkerParadox :=
  forall (A:Type) (P:A -> Prop),
    inhabited A -> exists x, (exists x, P x) -> P x.

Lemma independence_general_premises_drinker :
  IndependenceOfGeneralPremises <-> DrinkerParadox.
Proof.
  split.
    intros IP A P InhA; apply (IP A P (exists x, P x) InhA); intro Hx; exact Hx.
    intros Drinker A P Q InhA H; destruct (Drinker A P InhA) as (x,Hx).
      exists x; intro HQ; apply (Hx (H HQ)).
Qed.

(** Independence of general premises is weaker than (generalized)
    excluded middle

Remark: generalized excluded middle is preferred here to avoid relying on
the "ex falso quodlibet" property (i.e. [False -> forall A, A])
*)


Definition generalized_excluded_middle :=
  forall A B:Prop, A \/ (A -> B).

Lemma excluded_middle_independence_general_premises :
  generalized_excluded_middle -> DrinkerParadox.
Proof.
  intros GEM A P x0.
  destruct (GEM (exists x, P x) (P x0)) as [(x,Hx)|Hnot].
    exists x; introexact Hx.
    exists x0; exact Hnot.
Qed.

(** * Axioms equivalent to classical logic *)

(** ** Principle of unrestricted minimization *)

Require Import Coq.Arith.PeanoNat.

Definition Minimal (P:nat -> Prop) (n:nat) : Prop :=
  P n /\ forall k, P k -> n<=k.

Definition Minimization_Property (P : nat -> Prop) : Prop :=
  forall n, P n -> exists m, Minimal P m.

Section Unrestricted_minimization_entails_excluded_middle.

  Hypothesis unrestricted_minimization: forall P, Minimization_Property P.

  Theorem unrestricted_minimization_entails_excluded_middle : forall A, A\/~A.
  Proof.
    intros A.
    pose (P := fun n:nat => n=0/\A \/ n=1).
    assert (P 1) as h.
    { unfold P. intuition. }
    assert (P 0 <-> A) as p₀.
    { split.
      + intros [[_ h₀]|[=]]. assumption.
      + unfold P. tauto. }
    apply unrestricted_minimization in h as ([|[|m]] & hm & hmm).
    + intuition.
    + right.
      intros HA. apply p₀, hmm, PeanoNat.Nat.nle_succ_0 in HA. assumption.
    + destruct hm as [([=],_) | [=] ].
  Qed.

End Unrestricted_minimization_entails_excluded_middle.

Require Import Wf_nat.

Section Excluded_middle_entails_unrestricted_minimization.

  Hypothesis em : forall A, A\/~A.

  Theorem excluded_middle_entails_unrestricted_minimization : 
    forall P, Minimization_Property P.
  Proof.
    intros P n HPn.
    assert (dec : forall n, P n \/ ~ P n) by auto using em.
    assert (ex : exists n, P n) by (exists n; assumption).
    destruct (dec_inh_nat_subset_has_unique_least_element P dec ex) as (n' & HPn' & _).
    exists n'. assumption.
  Qed.

End Excluded_middle_entails_unrestricted_minimization.

(** However, minimization for a given predicate does not necessarily imply
    decidability of this predicate *)


Section Example_of_undecidable_predicate_with_the_minimization_property.

  Variable s : nat -> bool.

  Let P n := exists k, n<=k /\ s k = true.

  Example undecidable_predicate_with_the_minimization_property : 
    Minimization_Property P.
  Proof.
    unfold Minimization_Property.
    intros h hn.
    exists 0. split.
    + unfold P in *. destruct hn as (k&hk₁&hk₂).
      exists k. split.
      * rewrite <- hk₁.
        apply PeanoNat.Nat.le_0_l.
      * assumption.
    + intros **. apply PeanoNat.Nat.le_0_l.
  Qed.

End Example_of_undecidable_predicate_with_the_minimization_property.

(** ** Choice of representatives in a partition of bool *)

(** This is similar to Bell's "weak extensional selection principle"  in [[Bell]]

   [[Bell]] John L. Bell, Choice principles in intuitionistic set theory, unpublished.
*)


Require Import RelationClasses.

Local Notation representative_boolean_partition :=
  (forall R:bool->bool->Prop,
    Equivalence R -> exists f, forall x, R x (f x) /\ forall y, R x y -> f x = f y).

Theorem representative_boolean_partition_imp_excluded_middle :
  representative_boolean_partition -> excluded_middle.
Proof.
  intros ReprFunChoice P.
  pose (R (b1 b2 : bool) := b1 = b2 \/ P).
  assert (Equivalence R).
  { split.
    - now left.
    - destruct 1. now leftnow right.
    - destruct 1, 1; try now rightleftnow transitivity y. }
  destruct (ReprFunChoice R H) as (f,Hf). clear H.
  destruct (Bool.bool_dec (f true) (f false)) as [Heq|Hneq].
  + left.
     destruct (Hf false) as ([Hfalse|HP],_); try easy.
     destruct (Hf true) as ([Htrue|HP],_); try easy.
     congruence.
  + rightintro HP.
     destruct (Hf true) as (_,H). apply Hneq, H. now right.
Qed.

Theorem excluded_middle_imp_representative_boolean_partition :
  excluded_middle -> representative_boolean_partition.
Proof.
  intros EM R H.
  destruct (EM (R true false)).
  - exists (fun _ => true).
    intros []; firstorder.
  - exists (fun b => b).
    intro b. split.
    + reflexivity.
    + destruct b, y; intros HR; easy || now symmetry in HR.
Qed.

Theorem excluded_middle_iff_representative_boolean_partition :
  excluded_middle <-> representative_boolean_partition.
Proof.
  splitauto using excluded_middle_imp_representative_boolean_partition,
                    representative_boolean_partition_imp_excluded_middle.
Qed.

¤ Dauer der Verarbeitung: 0.30 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤





Download des
Quellennavigators
Download des
sprechenden Kalenders

in der Quellcodebibliothek suchen




Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.


Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.


Bot Zugriff