Bounded arithmetic in free logic

27
Bounded Arithmetic in Free Logic Yoriyuki Yamagata RIMS, 2012/09/12

Transcript of Bounded arithmetic in free logic

Bounded Arithmetic in Free Logic

Yoriyuki Yamagata RIMS, 2012/09/12

Results

โ€ข Define ๐‘†2๐‘–๐ธ, bounded arithmetic in free logic โ€ข โ€œBootstrappingโ€ ๐‘†2๐‘–๐ธ โ€ข Prove ๐‘–-consistency of ๐‘†2โˆ’1๐ธ in ๐‘†2๐‘–

Publications

โ€ข Bounded Arithmetic in Free Logic Logical Methods in Computer Science Volume 8, Issue 3, Aug. 10, 2012

Agenda

โ€ข Bounded arithmetic and complexity โ€ข System ๐‘†2๐‘–๐ธ โ€ข Consistency proof of ๐‘†2โˆ’1๐ธ

BOUNDED ARITHMETIC AND COMPTATIONAL COMPLEXITY

๐‘ƒ

โŠ†

NP

โŠ†

ฮฃ2๐‘

PH and Bussโ€™s theories ๐‘†2๐‘–

โ€ฆ

๐‘†21

โŠ†

๐‘†22

โŠ†

๐‘†23 โ€ฆ

๐‘ƒ

โŠ†

โŠ†

PH and Bussโ€™s theories ๐‘†2๐‘–

โ€ฆ

๐‘†21

โŠ†

๐‘†22

โŠ†

๐‘†23 โŠข Tot(๐‘“)

โ€ฆ ๐‘“ โˆˆ ๐‘ƒฮฃ2

๐‘

๐‘ƒ๐‘๐‘

Separation of ๐ผฮฃ๐‘–

๐ผฮฃ3

๐ผฮฃ2

โ€ฆ

๐ผฮฃ1

โŠ†

โŠ†

Separation of ๐ผฮฃ๐‘–

๐ผฮฃ3 โŠข Con(Iฮฃ2)

๐ผฮฃ2 โŠข Con Iฮฃ2

โ€ฆ

๐ผฮฃ1

โŠ†

โŠ†

Separation of ๐‘†2๐‘–

Problem โ€ข No truth definition โ€ข No valuation of terms

โ€ข E.g. 2#2#2#2#2#...#2

In ๐‘†2๐‘– world, terms do not have values a priori. โ€ข We must prove the existence of values in proofs. โ€ข the predicate ๐ธ signifies the existence of a value

SYSTEM ๐‘†2๐‘–๐ธ

Language

Predicates โ€ข =,โ‰ค,๐ธ

Function symbols โ€ข Finite number of polynomial functions

Formulas โ€ข Atomic formula, negated atomic formula โ€ข ๐ด โˆจ ๐ต,๐ด โˆง ๐ต โ€ข Bounded quantifiers

E-axioms

โ€ข ๐ธ๐‘“ ๐‘Ž1, โ€ฆ ,๐‘Ž๐‘› โ†’ ๐ธ๐‘Ž๐‘— โ€ข ๐‘Ž1 = ๐‘Ž2 โ†’ ๐ธ๐‘Ž๐‘— โ€ข ๐‘Ž1 โ‰  ๐‘Ž2 โ†’ ๐ธ๐‘Ž๐‘— โ€ข ๐‘Ž1 โ‰ค ๐‘Ž2 โ†’ ๐ธ๐‘Ž๐‘— โ€ข ยฌ๐‘Ž1โ‰ค ๐‘Ž2 โ†’ ๐ธ๐‘Ž๐‘—

Equality axioms

โ€ข ๐ธ๐‘Ž โ†’ ๐‘Ž = ๐‘Ž

โ€ข ๐ธ๐‘“ ๏ฟฝโƒ—๏ฟฝ , ๏ฟฝโƒ—๏ฟฝ = ๐‘ โ†’ ๐‘“ ๏ฟฝโƒ—๏ฟฝ = ๐‘“ ๐‘

Data axioms

โ€ข โ†’ ๐ธ๐ธ โ€ข ๐ธ๐‘Ž โ†’ ๐ธ๐‘ 0๐‘Ž โ€ข ๐ธ๐‘Ž โ†’ ๐ธ๐‘ 1๐‘Ž

Defining axioms

๐‘“ ๐‘ข ๐‘Ž1 ,๐‘Ž2, โ€ฆ , ๐‘Ž๐‘› = ๐‘ก(๐‘Ž1, โ€ฆ , ๐‘Ž๐‘›)

๐ธ๐‘Ž1, โ€ฆ ,๐ธ๐‘Ž๐‘›,๐ธ๐‘ก ๐‘Ž1, โ€ฆ , ๐‘Ž๐‘› โ†’ ๐‘“ ๐‘ข ๐‘Ž1 ,๐‘Ž2, โ€ฆ , ๐‘Ž๐‘› = ๐‘ก(๐‘Ž1, โ€ฆ , ๐‘Ž๐‘›)

๐‘ข ๐‘Ž = ๐ธ,๐‘Ž, ๐‘ 0๐‘Ž, ๐‘ 1๐‘Ž

Auxiliary axioms

๐‘Ž = ๐‘ โŠƒ ๐‘Ž#๐‘ = ๐‘#๐‘

๐ธ๐‘Ž#๐‘,๐ธ๐‘#๐‘, ๐‘Ž = |๐‘| โ†’ ๐‘Ž#๐‘ = ๐‘#๐‘

PIND-rule

Bootstrapping ๐‘†2๐‘–๐ธ

I. ๐‘†2๐‘–๐ธ โŠข Tot(๐‘“) for any ๐‘“, ๐‘– โ‰ฅ ๐ธ II. ๐‘†2๐‘–๐ธ โŠข BASICโˆ—, equality axioms โˆ— III. ๐‘†2๐‘–๐ธ โŠข predicate logic โˆ— IV. ๐‘†2๐‘–๐ธ โŠข ฮฃ๐‘–๐‘ โˆ’PINDโˆ—

ใƒ—ใƒฌใ‚ผใƒณใ‚ฟใƒผ
ใƒ—ใƒฌใ‚ผใƒณใƒ†ใƒผใ‚ทใƒงใƒณใฎใƒŽใƒผใƒˆ
Admissibility?

CONSISTENCY PROOF OF ๐‘†2โˆ’1๐ธ

Valuation trees

a#a+b=19

a#a=16 b=3

a=2

ฯ-valuation tree bounded by 19 ฯ(a)=2, ฯ(b)=3

๐‘ฃ ๐‘Ž#๐‘Ž + ๐‘ ,๐œŒ โ†“19 19 ๐‘ฃ ๐‘ก ,๐œŒ โ†“๐‘ข ๐‘ is ฮฃ1๐‘

Bounded truth definition (1)

โ€ข ๐‘‡ ๐‘ข, ๐‘ก1 = ๐‘ก2 , ๐œŒ โ‡”def โˆƒ๐‘ โ‰ค ๐‘ข, ๐‘ฃ ๐‘ก1 ,๐œŒ โ†“๐‘ข ๐‘ โˆง ๐‘ฃ ๐‘ก1 ,๐œŒ โ†“๐‘ข ๐‘

โ€ข ๐‘‡ ๐‘ข, ๐œ™1 โˆง ๐œ™2 ,๐œŒ โ‡”def ๐‘‡ ๐‘ข, ๐œ™1 , ๐œŒ โˆง ๐‘‡ ๐‘ข, ๐œ™2 , ๐œŒ โ€ข ๐‘‡ ๐‘ข, ๐œ™1 โˆจ ๐œ™2 ,๐œŒ โ‡”def ๐‘‡ ๐‘ข, ๐œ™1 , ๐œŒ โˆจ ๐‘‡ ๐‘ข, ๐œ™2 ,๐œŒ

Bounded truth definition (2)

โ€ข ๐‘‡ ๐‘ข, โˆƒ๐‘ฅ โ‰ค ๐‘ก,๐œ™(๐‘ฅ) ,๐œŒ โ‡”def โˆƒ๐‘ โ‰ค ๐‘ข, ๐‘ฃ ๐‘ก , ๐œŒ โ†“๐‘ข ๐‘ โˆง

โˆƒ๐‘‘ โ‰ค ๐‘,๐‘‡ ๐‘ข, ๐œ™ ๐‘ฅ ,๐œŒ ๐‘ฅ โ†ฆ ๐‘‘ โ€ข ๐‘‡ ๐‘ข, โˆ€๐‘ฅ โ‰ค ๐‘ก,๐œ™(๐‘ฅ) , ๐œŒ โ‡”def

โˆƒ๐‘ โ‰ค ๐‘ข, ๐‘ฃ ๐‘ก , ๐œŒ โ†“๐‘ข ๐‘ โˆง โˆ€๐‘‘ โ‰ค ๐‘,๐‘‡(๐‘ข, ๐œ™ ๐‘ฅ ,๐œŒ[๐‘ฅ โ†ฆ ๐‘‘])

Remark: If ๐œ™ is ฮฃ๐‘–๐‘,๐‘‡ is ฮฃ๐‘–+1๐‘

induction hypothesis

๐‘ข: enough large integer ๐‘Ÿ: node of a proof of ๐ธ=1 ฮ“๐‘Ÿ โ†’ ฮ”๐‘Ÿ: the sequent of node ๐‘Ÿ ๐œŒ: assignment ๐œŒ ๐‘Ž โ‰ค ๐‘ข โˆ€๐‘ขโ€ฒ โ‰ค ๐‘ข โŠ– ๐‘Ÿ, { โˆ€๐ด โˆˆ ฮ“๐‘Ÿ ๐‘‡ ๐‘ขโ€ฒ, ๐ด , ๐œŒ โŠƒ

[โˆƒ๐ต โˆˆ ฮ”r,๐‘‡(๐‘ขโ€ฒ โŠ• ๐‘Ÿ, ๐ต , ๐œŒ)]}

CONCLUSION

Conjecture

โ€ข ๐‘†2๐‘–๐ธ is weak enough โ€“ ๐‘†2๐‘–+2 can prove ๐‘–-consistency of ๐‘†2โˆ’1๐ธ

โ€ข While ๐‘†2๐‘–๐ธ is strong enough โ€“ ๐‘†2๐‘–๐ธ can interpret ๐‘†2๐‘–

โ€ข Conjecture ๐‘†2โˆ’1๐ธ is a good candidate to separate ๐‘†2๐‘– and ๐‘†2๐‘–+2.

Future works

โ€ข Long-term goal ๐‘†2๐‘– โŠข ๐‘–โˆ’Con(๐‘†2โˆ’1๐ธ)?

โ€ข Short-term goal โ€“ Simplify ๐‘†2๐‘–๐ธ