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論理命題の同値変形問題

この記事では、命題 (𝑃𝑄)𝑅 と同値な命題を求める問題の解法を解説する。 結論から述べると、同値な命題は (𝑃𝑅)(𝑄𝑅) である。

このセクションでは、書籍『集合・写像・論理 数学の基本を学ぶ』(中島匠一 著)に掲載されている論理命題の問題(問題5.3)の内容を提示する。

問題5.3

𝑃,𝑄,𝑅 は命題だとする。このとき、命題「(𝑃𝑄)𝑅」と同値である命題は次のうちどれか。

  • (1) (𝑃𝑅)(𝑄𝑅)
  • (2) (𝑃𝑅)(𝑄𝑅)
  • (3) (𝑃𝑅)¬𝑄
  • (4) 𝑃(𝑅¬𝑄)

このセクションでは、論理学における同値変形を用いて問題の命題を段階的に変形し、正解を導く手順を解説する。

まず、含意を論理積や論理和などの基本演算子のみで表現する。

命題 𝐴𝐵 は、論理学的に ¬𝐴𝐵 と同値である。 これを用いて、与えられた命題を変形する。

(𝑃𝑄)𝑅¬(𝑃𝑄)𝑅

次に、ド・モルガンの法則を用いて否定のスコープを小さくする。

ド・モルガンの法則 ¬(𝐴𝐵)¬𝐴¬𝐵 を適用する。

¬(𝑃𝑄)𝑅(¬𝑃¬𝑄)𝑅

続いて、論理和を分配して式を展開する。

分配法則 (𝐴𝐵)𝐶(𝐴𝐶)(𝐵𝐶) を適用する。

(¬𝑃¬𝑄)𝑅(¬𝑃𝑅)(¬𝑄𝑅)

最後に、変形した各項を再び含意の形に戻す。

  • ¬𝑃𝑅𝑃𝑅
  • ¬𝑄𝑅𝑄𝑅

よって、次のように同値変形できる。

(¬𝑃𝑅)(¬𝑄𝑅)(𝑃𝑅)(𝑄𝑅)

以上の変形により、(𝑃𝑄)𝑅(𝑃𝑅)(𝑄𝑅) と同値であることが示された。 したがって、正解の選択肢は (2) である。

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