§A3.13ド・モルガン則の一般形

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論理演算、集合演算、量化子に現れる否定の規則は、ド・モルガン則としてどのように一つの形にまとめることができるのでしょうか。本記事では、三つの場面の否定規則を並べて対応を確かめます。その対応を基に、入れ子になった量化子を外側から順に入れ替え、最も内側の述語まで否定する手順を示します。

1 論理演算・集合演算・量化子の否定

論理演算、集合演算、量化子について、否定を内側へ移す規則を並べます。

場面 否定・補集合を外へ出した形 内側へ移した形
論理演算 ¬(P∧Q)\lnot(P \land Q) ¬P∨¬Q\lnot P \lor \lnot Q
論理演算 ¬(P∨Q)\lnot(P \lor Q) ¬P∧¬Q\lnot P \land \lnot Q
集合演算 A∩B‾\overline{A \cap B} A‾∪B‾\overline{A} \cup \overline{B}
集合演算 A∪B‾\overline{A \cup B} A‾∩B‾\overline{A} \cap \overline{B}
量化子 ¬ ∀x P(x)\lnot\,\forall x\, P(x) ∃x ¬P(x)\exists x\, \lnot P(x)
量化子 ¬ ∃x P(x)\lnot\,\exists x\, P(x) ∀x ¬P(x)\forall x\, \lnot P(x)

どの行でも、否定を内側へ移すと、∧\landと∨\lor、∩\capと∪\cup、∀\forallと∃\existsがそれぞれ入れ替わります。論理演算の二つの行は§A3.2 定理 2.1、集合演算の二つの行は§A3.3 公式 5.1、量化子の二つの行は§A3.8 定理 2.1で示した規則です。

集合演算の行は、条件と真理集合の対応によって論理演算の行から得られます。xxの動く範囲がn≥1n\geq 1個の要素からなる有限集合{a1,…,an}\{a_1,\dots,a_n\}である場合、∀x P(x)\forall x\,P(x)はP(a1)∧⋯∧P(an)P(a_1)\land\cdots\land P(a_n)であり、∃x P(x)\exists x\,P(x)はP(a1)∨⋯∨P(an)P(a_1)\lor\cdots\lor P(a_n)です。このため、量化子の規則も論理演算の規則と同じ形になります。範囲が無限集合である場合には、量化された命題を有限個の論理演算へ展開することはできません。その場合にも、次に示す意味によって量化子の規則が成り立ちます。

なお、添字の集合で表される一般の族に対する集合演算(⋂i∈IAi\bigcap_{i \in I} A_iなど)は、本記事では扱いません。§E1 数学の基礎で扱います。

2 量化子についての規則

定理 2.1 (量化子のド・モルガン則).XXを対象の範囲とし、P(x)P(x)をXX上の述語とする。このとき

¬ ∀x∈X P(x)≡∃x∈X ¬P(x),¬ ∃x∈X P(x)≡∀x∈X ¬P(x)\lnot\,\forall x\in X\,P(x)\equiv\exists x\in X\,\lnot P(x),\qquad \lnot\,\exists x\in X\,P(x)\equiv\forall x\in X\,\lnot P(x)

が成り立つ。

証明.§A3.8 定理 2.1による。▨

3 入れ子になった量化子の否定

量化子が入れ子になった命題では、最も外側の量化子から順に定理 2.1を適用します。否定記号を一つの量化子の内側へ移すたびに、その量化子の種類が替わります。最後に、内側の述語が否定されます。

¬ ∀x ∃y P(x,y)≡∃x ¬ ∃y P(x,y)≡∃x ∀y ¬P(x,y).\lnot\,\forall x\,\exists y\,P(x,y) \equiv\exists x\,\lnot\,\exists y\,P(x,y) \equiv\exists x\,\forall y\,\lnot P(x,y).

第1の同値変形では最も外側の∀x\forall xだけが∃x\exists xに替わり、否定記号が∃y\exists yの直前へ移ります。第2の同値変形では∃y\exists yが∀y\forall yに替わり、否定記号がP(x,y)P(x,y)の直前へ移ります。量化子の位置は交換しないため、変数の順序はx,yx,yのままです。∃x ∀y\exists x\,\forall yを∀y ∃x\forall y\,\exists xと書き換えると、元の命題の否定とは異なる主張になります。

4 連続であることの否定

量化子と条件文の否定の規則を、連続性の条件に適用します。

例 4.1.f ⁣:R→Rf\colon\R\to\Rとa∈Ra\in\Rを取る。ffが点aaで連続であることは

∀ε>0 ∃δ>0 ∀x∈R(∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−f(a)∣<ε)\forall\varepsilon>0\ \exists\delta>0\ \forall x\in\R \bigl(|x-a|<\delta\Rightarrow |f(x)-f(a)|<\varepsilon\bigr)

と書き表される。三つの量化子に定理 2.1を外側から順に適用すると、否定は

∃ε>0 ∀δ>0 ∃x∈R¬(∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−f(a)∣<ε)\exists\varepsilon>0\ \forall\delta>0\ \exists x\in\R \lnot\bigl(|x-a|<\delta\Rightarrow |f(x)-f(a)|<\varepsilon\bigr)

となる。条件文の否定¬(A⇒B)≡A∧¬B\lnot(A\Rightarrow B)\equiv A\land\lnot Bと、∣f(x)−f(a)∣<ε|f(x)-f(a)|<\varepsilonの否定を用いると、これは

∃ε>0 ∀δ>0 ∃x∈R(∣x−a∣<δ∧∣f(x)−f(a)∣≥ε)\exists\varepsilon>0\ \forall\delta>0\ \exists x\in\R \bigl(|x-a|<\delta\land |f(x)-f(a)|\geq\varepsilon\bigr)

と同値である。

上の連続性の否定の例では、∀∃∀\forall\exists\forallが∃∀∃\exists\forall\existsに替わり、量化子の順序は保たれています。量化子をすべて処理したあとに、条件文と不等号の否定を計算しています。

5 共通の反例と別々の反例

全称量化した論理和と、全称命題どうしの論理和とでは、否定を真にする要素の選び方が異なります。

例 5.1. 全体集合をU={1,2,3,4}U=\{1,2,3,4\}とし、A={1,2}A=\{1,2\}、B={3,4}B=\{3,4\}とする。A∪B=UA\cup B=Uであるから、命題∀x∈U (x∈A∨x∈B)\forall x\in U\,(x\in A\lor x\in B)は真である。その否定は

¬[∀x∈U (x∈A∨x∈B)]≡∃x∈U ¬(x∈A∨x∈B)≡∃x∈U (x∉A∧x∉B)\begin{aligned} \lnot\bigl[\forall x\in U\,(x\in A\lor x\in B)\bigr] &\equiv\exists x\in U\,\lnot(x\in A\lor x\in B)\\ &\equiv\exists x\in U\,(x\notin A\land x\notin B) \end{aligned}

となる。A‾∩B‾={3,4}∩{1,2}=∅\overline A\cap\overline B=\{3,4\}\cap\{1,2\}=\varnothingであり、AAにもBBにも属さない要素は存在しないので、この否定は偽である。

一方、命題(∀x∈U x∈A)∨(∀y∈U y∈B)\bigl(\forall x\in U\,x\in A\bigr)\lor\bigl(\forall y\in U\,y\in B\bigr)は、3∉A3\notin A、1∉B1\notin Bであるから偽である。その否定は

¬[(∀x∈U x∈A)∨(∀y∈U y∈B)]≡(∃x∈U x∉A)∧(∃y∈U y∉B)\begin{aligned} &\lnot\bigl[\bigl(\forall x\in U\,x\in A\bigr)\lor\bigl(\forall y\in U\,y\in B\bigr)\bigr]\\ &\qquad\equiv\bigl(\exists x\in U\,x\notin A\bigr)\land\bigl(\exists y\in U\,y\notin B\bigr) \end{aligned}

となる。x=3x=3とy=1y=1を別々に取ることができるので、この否定は真である。

最初の否定は、二つの集合のどちらにも属さない同じ要素を要求する。後の否定は、一方の集合に属さない要素と他方の集合に属さない要素を別々に選ぶ。したがって、二つの元の命題は一般には同値でない。

6 例題

レベル2 — ド・モルガン則の一般形

次の否定(補集合)を、否定記号を内側へ押し込んだ形で書け。¬\negは述語の直前にしか現れない形(補集合は Aᵢ の直前にしか現れない形)にすること。

解法の型¬∀x\neg\forall xP≡\equiv∃x\exists x¬P\neg P、¬∃x\neg\exists xP≡\equiv∀x\forall x¬P\neg P、¬(A\neg(A∧\landB)≡\equiv¬A\neg A∨\lor¬B\neg B、¬(A\neg(A∨\lorB)≡\equiv¬A\neg A∧\land¬B\neg B、¬(A\neg(A⇒\RightarrowB)≡\equivA∧\land¬B\neg B。量化子の並び順は変えず、各記号だけを反転する

例 6.1. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∀y (P(x)⇒Q(x,y)))\lnot \Bigl( \forall x\, \forall y\, \bigl(P(x) \Rightarrow Q(x, y)\bigr) \Bigr)

答∃x ∃y (P(x)∧¬Q(x,y))\exists x\, \exists y\, \bigl(P(x) \land \lnot Q(x, y)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∀\forall\forallから∃∃\exists\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。

例 6.2. 次の集合の補集合を、補集合を内側へ押し込んだ形で書け。

⋂n=1∞An‾\overline{\bigcap_{n=1}^{\infty} A_n}

答⋃n=1∞An‾\bigcup_{n=1}^{\infty} \overline{A_n}

注意 可算無限個でも規則は同じ。x∉∩A\notin \cap Aₙ⇔\Leftrightarrowある n で x∉\notinAₙ。有限個の場合の¬(p∧\neg(p \landq)≡¬p∨¬q\equiv \neg p \lor \neg qの無限版。

例 6.3. 次の集合の補集合を、補集合を内側へ押し込んだ形で書け。

⋃n=1∞An‾\overline{\bigcup_{n=1}^{\infty} A_n}

答⋂n=1∞An‾\bigcap_{n=1}^{\infty} \overline{A_n}

注意 可算無限個でも規則は同じ。x∉∪A\notin \cup Aₙ⇔\Leftrightarrowすべての n で x∉\notinAₙ。有限個の場合の¬(p∨\neg(p \lorq)≡¬p∧¬q\equiv \neg p \land \neg qが、そのまま無限個に持ち上がっている。

例 6.4. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∀y ∀z (P(x)∧(Q(x,y)∨R(y,z))))\lnot \Bigl( \exists x\, \forall y\, \forall z\, \bigl(P(x) \land (Q(x, y) \lor R(y, z))\bigr) \Bigr)

答∀x ∃y ∃z (¬P(x)∨(¬Q(x,y)∧¬R(y,z)))\forall x\, \exists y\, \exists z\, \bigl(\lnot P(x) \lor (\lnot Q(x, y) \land \lnot R(y, z))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∀∀\exists\forall\forallから∀∃∃\forall\exists\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。

例 6.5. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∃y ∀z ((P(x)∧Q(x,y))∨¬R(y,z)))\lnot \Bigl( \exists x\, \exists y\, \forall z\, \bigl((P(x) \land Q(x, y)) \lor \lnot R(y, z)\bigr) \Bigr)

答∀x ∀y ∃z ((¬P(x)∨¬Q(x,y))∧R(y,z))\forall x\, \forall y\, \exists z\, \bigl((\lnot P(x) \lor \lnot Q(x, y)) \land R(y, z)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∃∀\exists\exists\forallから∀∀∃\forall\forall\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。

例 6.6. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∀y (P(x)⇒Q(x,y)))\lnot \Bigl( \exists x\, \forall y\, \bigl(P(x) \Rightarrow Q(x, y)\bigr) \Bigr)

答∀x ∃y (P(x)∧¬Q(x,y))\forall x\, \exists y\, \bigl(P(x) \land \lnot Q(x, y)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∀\exists\forallから∀∃\forall\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。

例 6.7. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∀y ∀z ((P(x)∧Q(x,y))∨¬R(y,z)))\lnot \Bigl( \forall x\, \forall y\, \forall z\, \bigl((P(x) \land Q(x, y)) \lor \lnot R(y, z)\bigr) \Bigr)

答∃x ∃y ∃z ((¬P(x)∨¬Q(x,y))∧R(y,z))\exists x\, \exists y\, \exists z\, \bigl((\lnot P(x) \lor \lnot Q(x, y)) \land R(y, z)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∀∀\forall\forall\forallから∃∃∃\exists\exists\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。

例 6.8. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∃y ∃z ((P(x)⇒Q(x,y))∧(R(y,z)∨¬P(x))))\lnot \Bigl( \forall x\, \exists y\, \exists z\, \bigl((P(x) \Rightarrow Q(x, y)) \land (R(y, z) \lor \lnot P(x))\bigr) \Bigr)

答∃x ∀y ∀z ((P(x)∧¬Q(x,y))∨(¬R(y,z)∧P(x)))\exists x\, \forall y\, \forall z\, \bigl((P(x) \land \lnot Q(x, y)) \lor (\lnot R(y, z) \land P(x))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∃∃\forall\exists\existsから∃∀∀\exists\forall\forallへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。

例 6.9. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∀y (P(x)⇒(Q(x,y)⇒R(y))))\lnot \Bigl( \forall x\, \forall y\, \bigl(P(x) \Rightarrow (Q(x, y) \Rightarrow R(y))\bigr) \Bigr)

答∃x ∃y (P(x)∧(Q(x,y)∧¬R(y)))\exists x\, \exists y\, \bigl(P(x) \land (Q(x, y) \land \lnot R(y))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∀\forall\forallから∃∃\exists\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。

例 6.10. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∀y ∃z (P(x)⇒(Q(x,y)⇒R(y,z))))\lnot \Bigl( \forall x\, \forall y\, \exists z\, \bigl(P(x) \Rightarrow (Q(x, y) \Rightarrow R(y, z))\bigr) \Bigr)

答∃x ∃y ∀z (P(x)∧(Q(x,y)∧¬R(y,z)))\exists x\, \exists y\, \forall z\, \bigl(P(x) \land (Q(x, y) \land \lnot R(y, z))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∀∃\forall\forall\existsから∃∃∀\exists\exists\forallへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。

7 演習

レベル2 — ド・モルガン則の一般形

次の否定(補集合)を、否定記号を内側へ押し込んだ形で書け。¬\negは述語の直前にしか現れない形(補集合は Aᵢ の直前にしか現れない形)にすること。

解法の型¬∀x\neg\forall xP≡\equiv∃x\exists x¬P\neg P、¬∃x\neg\exists xP≡\equiv∀x\forall x¬P\neg P、¬(A\neg(A∧\landB)≡\equiv¬A\neg A∨\lor¬B\neg B、¬(A\neg(A∨\lorB)≡\equiv¬A\neg A∧\land¬B\neg B、¬(A\neg(A⇒\RightarrowB)≡\equivA∧\land¬B\neg B。量化子の並び順は変えず、各記号だけを反転する

問題 7.1. 次の集合の補集合を、補集合を内側へ押し込んだ形で書け。

⋂n=1∞An‾\overline{\bigcap_{n=1}^{\infty} A_n}
解答.

答⋃n=1∞An‾\bigcup_{n=1}^{\infty} \overline{A_n}

注意 可算無限個でも規則は同じ。x∉∩A\notin \cap Aₙ⇔\Leftrightarrowある n で x∉\notinAₙ。有限個の場合の¬(p∧\neg(p \landq)≡¬p∨¬q\equiv \neg p \lor \neg qの無限版。▨

問題 7.2. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∃y (P(x)∧(Q(x,y)∨R(y))))\lnot \Bigl( \exists x\, \exists y\, \bigl(P(x) \land (Q(x, y) \lor R(y))\bigr) \Bigr)
解答.

答∀x ∀y (¬P(x)∨(¬Q(x,y)∧¬R(y)))\forall x\, \forall y\, \bigl(\lnot P(x) \lor (\lnot Q(x, y) \land \lnot R(y))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∃\exists\existsから∀∀\forall\forallへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.3. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∃y ∃z ((P(x)⇒Q(x,y))∧(R(y,z)∨¬P(x))))\lnot \Bigl( \exists x\, \exists y\, \exists z\, \bigl((P(x) \Rightarrow Q(x, y)) \land (R(y, z) \lor \lnot P(x))\bigr) \Bigr)
解答.

答∀x ∀y ∀z ((P(x)∧¬Q(x,y))∨(¬R(y,z)∧P(x)))\forall x\, \forall y\, \forall z\, \bigl((P(x) \land \lnot Q(x, y)) \lor (\lnot R(y, z) \land P(x))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∃∃\exists\exists\existsから∀∀∀\forall\forall\forallへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.4. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∀y ((P(x)∧Q(x,y))∨¬R(y)))\lnot \Bigl( \forall x\, \forall y\, \bigl((P(x) \land Q(x, y)) \lor \lnot R(y)\bigr) \Bigr)
解答.

答∃x ∃y ((¬P(x)∨¬Q(x,y))∧R(y))\exists x\, \exists y\, \bigl((\lnot P(x) \lor \lnot Q(x, y)) \land R(y)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∀\forall\forallから∃∃\exists\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.5. 次の集合の補集合を、補集合を内側へ押し込んだ形で書け。

⋃n=1∞An‾\overline{\bigcup_{n=1}^{\infty} A_n}
解答.

答⋂n=1∞An‾\bigcap_{n=1}^{\infty} \overline{A_n}

注意 可算無限個でも規則は同じ。x∉∪A\notin \cup Aₙ⇔\Leftrightarrowすべての n で x∉\notinAₙ。有限個の場合の¬(p∨\neg(p \lorq)≡¬p∧¬q\equiv \neg p \land \neg qが、そのまま無限個に持ち上がっている。▨

問題 7.6. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∃y ∃z ((P(x)⇒Q(x,y))∧(R(y,z)∨¬P(x))))\lnot \Bigl( \forall x\, \exists y\, \exists z\, \bigl((P(x) \Rightarrow Q(x, y)) \land (R(y, z) \lor \lnot P(x))\bigr) \Bigr)
解答.

答∃x ∀y ∀z ((P(x)∧¬Q(x,y))∨(¬R(y,z)∧P(x)))\exists x\, \forall y\, \forall z\, \bigl((P(x) \land \lnot Q(x, y)) \lor (\lnot R(y, z) \land P(x))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∃∃\forall\exists\existsから∃∀∀\exists\forall\forallへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.7. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∃y ∀z ((P(x)∧Q(x,y))∨¬R(y,z)))\lnot \Bigl( \forall x\, \exists y\, \forall z\, \bigl((P(x) \land Q(x, y)) \lor \lnot R(y, z)\bigr) \Bigr)
解答.

答∃x ∀y ∃z ((¬P(x)∨¬Q(x,y))∧R(y,z))\exists x\, \forall y\, \exists z\, \bigl((\lnot P(x) \lor \lnot Q(x, y)) \land R(y, z)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∃∀\forall\exists\forallから∃∀∃\exists\forall\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.8. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∀y (P(x)⇒(Q(x,y)⇒R(y))))\lnot \Bigl( \exists x\, \forall y\, \bigl(P(x) \Rightarrow (Q(x, y) \Rightarrow R(y))\bigr) \Bigr)
解答.

答∀x ∃y (P(x)∧(Q(x,y)∧¬R(y)))\forall x\, \exists y\, \bigl(P(x) \land (Q(x, y) \land \lnot R(y))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∀\exists\forallから∀∃\forall\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.9. 次の集合の補集合を、補集合を内側へ押し込んだ形で書け。

⋂i∈IAi‾\overline{\bigcap_{i \in I} A_i}
解答.

答⋃i∈IAi‾\bigcup_{i \in I} \overline{A_i}

注意 x が共通部分に属さないとは「x∈\inAᵢ でない i が少なくとも1つある」こと。すなわち¬∀i\neg\forall i(x∈\inAᵢ)≡∃i\equiv \exists i(x∉\notinAᵢ)。∀\forallが∃\existsに変わることが、∩\capが∪\cupに変わることに対応する。添字集合が無限でも成立する。▨

問題 7.10. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∀y (P(x)⇒Q(x,y)))\lnot \Bigl( \exists x\, \forall y\, \bigl(P(x) \Rightarrow Q(x, y)\bigr) \Bigr)
解答.

答∀x ∃y (P(x)∧¬Q(x,y))\forall x\, \exists y\, \bigl(P(x) \land \lnot Q(x, y)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∀\exists\forallから∀∃\forall\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.11. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∃y (P(x)⇒Q(x,y)))\lnot \Bigl( \forall x\, \exists y\, \bigl(P(x) \Rightarrow Q(x, y)\bigr) \Bigr)
解答.

答∃x ∀y (P(x)∧¬Q(x,y))\exists x\, \forall y\, \bigl(P(x) \land \lnot Q(x, y)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∃\forall\existsから∃∀\exists\forallへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.12. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∀y ((P(x)∧Q(x,y))∨¬R(y)))\lnot \Bigl( \exists x\, \forall y\, \bigl((P(x) \land Q(x, y)) \lor \lnot R(y)\bigr) \Bigr)
解答.

答∀x ∃y ((¬P(x)∨¬Q(x,y))∧R(y))\forall x\, \exists y\, \bigl((\lnot P(x) \lor \lnot Q(x, y)) \land R(y)\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∀\exists\forallから∀∃\forall\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.13. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∃y (P(x)∨(Q(x,y)∧¬R(y))))\lnot \Bigl( \exists x\, \exists y\, \bigl(P(x) \lor (Q(x, y) \land \lnot R(y))\bigr) \Bigr)
解答.

答∀x ∀y (¬P(x)∧(¬Q(x,y)∨R(y)))\forall x\, \forall y\, \bigl(\lnot P(x) \land (\lnot Q(x, y) \lor R(y))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∃\exists\existsから∀∀\forall\forallへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.14. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∃x ∃y ∀z (P(x)⇒(Q(x,y)⇒R(y,z))))\lnot \Bigl( \exists x\, \exists y\, \forall z\, \bigl(P(x) \Rightarrow (Q(x, y) \Rightarrow R(y, z))\bigr) \Bigr)
解答.

答∀x ∀y ∃z (P(x)∧(Q(x,y)∧¬R(y,z)))\forall x\, \forall y\, \exists z\, \bigl(P(x) \land (Q(x, y) \land \lnot R(y, z))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∃∃∀\exists\exists\forallから∀∀∃\forall\forall\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

問題 7.15. 次の命題の否定を、否定記号を内側へ押し込んだ形(¬\negが述語の直前にしか現れない形)で書け。

¬(∀x ∀y ∀z (P(x)∧(Q(x,y)∨R(y,z))))\lnot \Bigl( \forall x\, \forall y\, \forall z\, \bigl(P(x) \land (Q(x, y) \lor R(y, z))\bigr) \Bigr)
解答.

答∃x ∃y ∃z (¬P(x)∨(¬Q(x,y)∧¬R(y,z)))\exists x\, \exists y\, \exists z\, \bigl(\lnot P(x) \lor (\lnot Q(x, y) \land \lnot R(y, z))\bigr)

注意 否定記号を1つずつ内側へ通す。量化子を通り抜けるたびにその記号が反転するので、量化子の列は∀∀∀\forall\forall\forallから∃∃∃\exists\exists\existsへ変わる(並び順は変えないこと)。中身では、∧\landは∨\lorに、∨\lorは∧\landに反転し、含意 A⇒\RightarrowB の否定は A∧¬B\land \neg B(前件はそのまま残る)。二重否定¬¬A\neg\neg Aは A に戻す。最後に¬\negが述語 P, Q, R の直前にしか残っていないことを確認する。▨

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