ELEMENTI DI LOGICA PROBABILISTICA HYKEL HOSNI Indice 1. Introduzione 2 2. La logica degli eventi 2 2.1. Linguaggio, connettivi ed enunciati 3 2.1.1. Connettivi proposizionali 4 2.1.2. Gli enunciati di L 5 2.2. La semantica proposizionale classica e i suoi principi 6 2.2.1. Il significato semantico dei connettivi 6 2.2.2. Composizionalità 7 Date: 29 gennaio 2013. 1 2 HYKEL HOSNI 1. Introduzione La logica probabilistica può essere analizzata come la composizione di due logiche: la logica degli eventi e quella dei gradi di convinzione. Il numero di logiche probabilistiche che ha senso considerare è dunque funzione delle alternative interessanti che possiamo distinguere per le due logiche componenti. In tutte le principali variazioni sul tema, la logica degli eventi è composizionale e bivalente (oltre a essere noncontraddittoria e monotona). La logica dei gradi di convinzione, invece, composizionale non è quasi mai. Lo diventa soltanto se aggiungiamo condizioni extra-logiche, come la richiesta che la funzione di probabilità che rappresenta i gradi di convizione dell’agente razionale, sia quella (unica) funzione che massimizza l’entropia. La logica dei gradi di convinzione, chiaramente non è bivalente, se non sotto condizioni molto specifiche. Il valore che assegnamo a un evento è un punto nel segmento reale unitario. Dal momento che possiamo considerare gli intervalli del segmento reale unitario, la restrizione a punti di probabilità non è necessaria ad assicurare la buona definizione dei gradi di convinzione. Il filone di ricerca, attualmente, molto attivo, che si occupa di studiare la generalizzazione delle logiche probabilistiche a intervalli di probabilità va sotto l’etichetta di teoria delle probabilità imprecise. La frontiera della ricerca è quindi lo studio delle probabilità imprecise su logiche degli eventi polivalenti. Il nostro studio si concentrerà sulla logica probabilistica classica, ovvero una logica che combina alla logica classica degli eventi la condizione di coerenza definettiana.1 Il rapporto tra probabilità e logica è estremamente affascinante, ma molto difficile da articolare in tutti i suoi dettagli. La complicazione principale dipende dal fatto che la probabilità è essa stessa una forma di logica, nel senso specifico della coerenza garantita dall’additività. Quindi la difficoltà consiste nel distinguere e al tempo stesso correlare, il concetto di coerenza dei gradi di verità con quello di consistenza logica degli eventi. 2. La logica degli eventi 1Questa non è certamente sufficiente per estendere il dominio agli eventi condizionti, che richiedono una logica a tre valori. La conclusione generale è che una logica probabilistica classica presuppone valutazioni parziali sugli eventi. ELEMENTI DI LOGICA PROBABILISTICA 3 2.1. Linguaggio, connettivi ed enunciati. Un linguaggio proposizionale L è un insieme non vuoto di lettere dette variabili proposizionali che indichiamo con lettere minuscole dell’alfabeto p, q, r eccetera. Per i nostri scopi sarà sufficiente considerare un numero finito di variabili proposizionali e quindi linguaggi di cardinalità finita. A meno di dichiarazioni esplicite del contrario assumeremo dunque che L = {p1 , p2 , . . . , pn } . Le variabili proposizionali in L costituiscono gli oggetti semantici fondamentali, ovvero le più piccole (in un senso che renderemo preciso in seguito) espressioni dotate di ‘significato’ che possiamo incontrare. Intuitivamente possiamo pensare le variabili proposizionali come le più semplici entità linguistiche per cui ha senso chiedersi se siano vere o false. Esempio 2.1. Consideriamo l’espressione (2.1) 3+2=6 È chiaramente sensato chiedersi se l’equazione (2.1) sia vera o falsa. La stessa cosa, evidentemente, non si può dire a proposito dell’ espressione (2.2) 3 + 2. Osservazione 2.2 (Dominio di verità). Le variabili proposizionali in L costituiscono, per ipotesi di modellazione, i portatori di verità. Quindi la questione epistemologica di determinare quali siano tali portatori è risolta in riferimento al senso intuitivo delle domande a cui ha senso rispondere con un sı̀ o con un no. Questa è precisamente l’idea che sta alla base della concezione di che cos’è un evento nella teoria di de Finetti. Questo giustifica la centralità della seguente definizione. Definizione 2.3 (Valutazioni proposizionali classiche). Una valutazione proposizionale classica su L = 6 ∅ è una funzione v : L −→ {0, 1}. Indicheremo per brevità con V l’insieme di tutte le valutazioni su L. Esempio 2.4. Dato L = {p, q}, V = {v1 , v2 , v3 , v4 }, dove v1 (p) = 1; v1 (q) = 1 v2 (p) = 1; v2 (q) = 0 v3 (p) = 0; v3 (q) = 1 v4 (p) = 0; v4 (q) = 0 4 HYKEL HOSNI Esercizio 1. (1) Dato L = {p, q, r}, descrivere l’insieme di tutte le valutazioni su L. (2) Dato L = {p1 , p2 , . . . , , pn } qual è la cardinalità di V?? 2.1.1. Connettivi proposizionali. Una caratteristica centrale della logica degli eventi che vogliamo sviluppare consiste nel suo aspetto algebrico, quello che ci permette di rispondere a una domanda molto naturale: Dato un insieme di eventi, quali sono le operazioni che possiamo applicare per generare “eventi composti” a partire da eventi “più semplici”? Prima di affrontare la questione in ambito probabilistico, è utile considerala dal punto di vista puramente logico. Quindi la domanda che ci poniamo è la seguente: dato un linguaggio proposizionale L, quali sono le operazioni che possiamo definire su tale insieme di variabili proposizionali per generare nuove espressioni dotate di significato di cui, cioé ha senso chiedersi se sono vere o false? Digressione 2.5 (Domande ben poste e domande effettivamente decidibili). È importante insistere sulla sensatezza della domanda, piuttosto che sull’effettiva capacità che abbiamo di dare una risposta. Il problema di determinare se in linea di principio sia possibile rispondere (in tempo finito) alla domanda circa la verità di un dato enunciato è un esempio di problema di decisione. Lo studio dei problemi di decisione e della difficoltà di fornire eventuali risposte costituisce una parte fondamentale di quell’area della logica matematica che va sotto il nome di teoria della computabilità o calcolabilità. Le operazioni con cui costruiamo epressioni proposizionali ‘complesse’ a partire dalle variabili proposizionali sono tradizionalmente chiamati connettivi proposizionali. Per larga parte di ciò che seguirà presteremo particolare attenzione al seguente insieme di connettivi: C = {¬, ∧, ∨, →} , dove ¬ ∧ ∨ → denota denota denota denota la negazione (approssimativamente “non”) la congiunzione (approssimativamente “e”) la disgiunzione (approssimativamente “o”) l’implicazione (approssimativamente “se ... allora”). ELEMENTI DI LOGICA PROBABILISTICA 5 Un secondo di riflessione ci fa notare che la negazione è, tra i connettivi elencati, l’unico unario, cioè l’unico a richiedere un solo argomento. Gli altri sono ovvviamente binari. Passiamo invece immediatamente a mostrare come possiamo costruire gli enunciati di un linguaggio a partire dalle variabili proposizionali per applicazione dei connettivi. 2.1.2. Gli enunciati di L. Definizione 2.6 (Enunciati di L). Fissato il linguaggio proposizionale L possiamo definire ricorsivamente l’insieme EL degli enunciati del linguaggio L utilizzando i connettivi in C: EL0 = L ELn+1 = ELn ∪ {¬θ, (θ ∗ ϕ) | θ, ϕ ∈ ELn , ∗ ∈ {∧, ∨, →}} [ EL = ELn . n∈N Questa definizione ci fornisce un modo rigoroso, anche se forse a prima vista un po’ complicato, per descrivere il meccanismo di costruzione degli enunciati complessi a partire da enunciati più ssemplici, e in ultima analisi dagli elementi di L. Per la definizione 2.6, le variabili proposizionali sono enunciati. In virtù del ruolo che giocano nella costruzione dell’insieme EL, talvolta chiamiamo le variabili proposizionali enunciati atomici per distinguerle da tutti gli altri enunciati. Esempio 2.7. Supponiamo che p, q ∈ L e p stia per “Alain Delon si è rifiutato”, mentre q stia per “Mastroianni ha girato Il Bell’Antonio”. Possiamo rappresentare l’enunciato Se Alain Delon non avesse rifiutato, Mastroianni non avrebbe girato Il Bell’Antonio mediante l’enunciato θ = (¬p → ¬q), dove θ ∈ EL2 . Useremo lettere greche minuscole θ, ϕ, ψ, ecc. per gli elementi di EL, mentre useremo le maiuscole Γ, ∆, ω per i sottoinsiemi di EL. Quindi θ, ϕ ∈ EL e Γ = {θ, ϕ} ⊆ EL. 6 HYKEL HOSNI (p ∧ q) ∨ ¬q ¬¬p EL2 p∧q EL1 q p L ¬p Figura 1. Possiamo immaginare l’insieme di enunciati come a una serie di cerchi concentrici al cui centro, che nella definizione denotiamo con EL0 , troviamo le variabili proposizionali in L. Abbiamo due modi per passare al livello immediatamente successivo. Possiamo prendere un p ∈ EL0 e applicargli una volta la negazione. Il risultato ¬p apparterrà al ‘cerchio’ EL1 . Alternativamente avremmo potuto prendere due variabili proposizionali in L, per esempio p, q e mediante un’applicazione di uno qualsiasi dei connettivi binari, avremmo ottenuto un enunciato in EL1 , diciamo (p ∧ q). E cosı̀ via . . . Osservazione 2.8. Un risultato estremamente intuitivo ma un po’ tedioso da dimostrare nel dettaglio ci garantisce che ogni θ ∈ EL è scomponibile in modo univoco. Apprezzeremo più avanti l’importanza di questa condizione di adeguatezza sintattica del calcolo proposizionale. Osservazione 2.9. Eliminazione delle parentesi. 2.2. La semantica proposizionale classica e i suoi principi. 2.2.1. Il significato semantico dei connettivi. Dato un linguaggio L possiamo definire le condizioni di verità espresse dai connettivi in C mediante le cosiddette tavole di verità. L’idea è quella di considerare tutte le valutazioni possibili su L (colonna di sinistra) e di riportare nella colonna di destra il valore di verità dell’enunciato ottenunto componendo le variabili proposizionali mediante i connettivi in C. Fissiamo L = {p, q} e definiamo il significato semantico dei connettivi attraverso la tavola di verità riportata nella tabella 1. Esercizio 2. Scrivere la tavola di verità per la disgiunzione esclusiva Pur avendo definito le valutazioni proposizionali classiche soltanto sull’insieme delle variabili proposizionali, siamo generalmente interessati a conoscere ELEMENTI DI LOGICA PROBABILISTICA 7 p q ¬p p ∧ q p ∨ q p → q 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 Tabella 1. Definizione dei connettivi in C i valori di verità degli enunciati (non atomici). Possiamo però mostrare facilmente come le valutazioni proposizionali si estendano in modo univoco a tutto EL. Lemma 2.10. Le valutazioni v : L → 2 si estendono univocamente a EL. Dimostrazione. Esercizio. Esercizio 3. Immaginate un lungo corridoio con due interruttori per la luce posti alle due estremità, diciamo destra e sinistra. Poniamo: • p: l’interruttore di destra è sollevato • q: l’interruttore di sinistra è sollevato • r: la luce è accesa Costruire θ ∈ EL, con L = {p, q, r}, che in questa interpretazione esprima il fatto che la luce è accesa esattamente quando i due interruttori sono nella medesima posizione. Osservazione 2.11. Le tavole di verità ci permettono di definire il significato dei connettivi proposizionali in modo esplicito. Un secondo di riflessione è sufficiente a rendere conto delle seguenti osservazioni: (1) affinché il metodo sia applicabile è necessario che la cardinalità del linguaggio e quella dei “valori di verità” siano finite (2) il metodo è pratico solo per cardinalità piccole. 2.2.2. Composizionalità. Principio 2.12 (Composizionalità binaria). Per ogni v ∈ V, θ ∈ ELn+1 , ϕ1 , ϕ2 ∈ ELn e ∗ ∈ {∧, ∨, →} v(θ) = f∗ (v(ϕ1 ), v(ϕn )), dove f : 2 × 2 → 2 è una funzione fissata. 8 HYKEL HOSNI Esempio 2.13. Siano L = {p, q}, θ = (p ∧ q). Il Principio di composizionalità richiede l’esistenza di una f : 2 × 2 → 2 tale che ( 1, se v(p) = v(q) = 1; (2.3) v(θ) = f∧ (v(p), v(q)) = 0, altrimenti. La funzione f∧ (p, q) = min{v(p), v(q)} chiaramente soddisfa la condizione espressa dalla (2.3). È immediato osservare come la caratterizzazione del Principio di composizionalità usi anche se implicitamente la proprietà di scomposizione univoca a cui si è fatto informalmente riferimento nell’Osservazione 2.8. Esercizio 4. Definire almeno un’altra funzione f∧ (p, q) che soddisfi la condizione (2.3). Esercizio 5. (1) Esprimere una condizione analoga a (2.3) per ∨ e →; (2) definire opportune f∨ (·, ·), f→ (·, ·). Esercizio 6. Il Principio (2.12) è dato per connettivi binari. Cosa possiamo dire per i connettivi unari? Osservazione 2.14. Il principio di composizionalità è strettamente collegato al concetto di estensionalità che gioca un ruolo fondamentale nella teoria degli insiemi e in filosofia della matematica. Nella teoria degli insiemi è catturato dal cosiddetto assioma o principio di comprensione che, intuitivamente, dice che due insiemi sono lo stesso insieme quando hanno gli stessi elementi. In filosofia della matematica una difesa dell’importanza centrale del concetto di estensionalità e quindi del rifiuto del suo opposto (intensionalità) è dovuta a Quine che la sintetizza nel celebre slogan no entity without identity. La riflessione filosofica sul concetto di estensionalità affonda le radici sicuramente fino a Leibniz e alla sua concettualizzazione dell’identità degli indiscernibili.