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量詞與否定

大二 · 離散數學

觀念

命題否定∀x P(x)∃x ¬P(x)∃x P(x)∀x ¬P(x)∀x ∃y P(x, y)∃x ∀y ¬P(x, y)所有學生都及格有學生不及格

量詞 (quantifier) 讓邏輯能談「所有」與「存在」:∀x P(x)\forall x\,P(x)、∃x P(x)\exists x\,P(x)。否定規則:¬∀x P(x)≡∃x ¬P(x),¬∃x P(x)≡∀x ¬P(x)\lnot\forall x\,P(x)\equiv\exists x\,\lnot P(x),\qquad\lnot\exists x\,P(x)\equiv\forall x\,\lnot P(x) 要推翻「所有都」只需一個反例;要推翻「存在」得證明全部都不行。多層量詞從外往內逐層翻轉,最後否定謂詞。

順序很重要:在整數(或實數)中,∀x∃y (x+y=0)\forall x\exists y\,(x+y=0) 為真(yy 可以依 xx 選),∃y∀x (x+y=0)\exists y\forall x\,(x+y=0) 為假(沒有一個 yy 通吃)。極限的 ε\varepsilon-δ\delta 定義「∀ε∃δ∀x\forall\varepsilon\exists\delta\forall x」正是三層量詞,否定它(證明極限不存在)就得熟練這套翻轉。

算例:「每個正整數都有更大的質數」∀n∃p (p 是質數∧p>n)\forall n\exists p\,(p\text{ 是質數}\land p>n),否定是 ∃n∀p (p 是質數→p≤n)\exists n\forall p\,(p\text{ 是質數}\to p\le n),也就是「存在某個 nn,所有質數都 ≤n\le n」。

量詞邏輯是數學證明的文法,也是資料庫查詢(SQL 的 EXISTS/ALL)與程式規格驗證的基礎。

例題

「所有學生都通過考試」 的否定 (negation) 是?

  1. ① 「沒有學生通過考試」
  2. ② 「所有學生都沒通過考試」
  3. ③ 「至少有一位學生沒通過考試」
  4. ④ 「至少有一位學生通過考試」
看解法與答案

否定規則:¬∀x P≡∃x ¬P\lnot\forall x\,P \equiv \exists x\,\lnot P、¬∃x P≡∀x ¬P\lnot\exists x\,P \equiv \forall x\,\lnot P,量詞從外往內逐一換,最後否定最裡面的敘述。

¬∀x P(x)≡∃x ¬P(x)\lnot\forall x\,P(x)\equiv\exists x\,\lnot P(x):要推翻「全部都」只要找到一個反例。所以選 ③:「至少有一位學生沒通過考試」。

常見錯誤:「所有學生都沒通過」說得太強,它是反面極端,不是否定。

答案: 「至少有一位學生沒通過考試」

用在哪裡

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量詞與否定:情境插畫量詞與否定:例題插畫

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