Prädikatenlogik zweiter Stufe

Die Prädikatenlogik zweiter Stufe ist ein Teilgebiet der mathematischen Logik. Sie erweitert die Prädikatenlogik erster Stufe um die Möglichkeit, über alle Relationen zu quantifizieren. Die Prädikatenlogik zweiter Stufe ist daher echt ausdrucksstärker als die der ersten Stufe, bestimmte wichtige Sätze gelten jedoch nicht mehr, wie etwa der Kompaktheitssatz.

Die Sprache der Prädikatenlogik zweiter Stufe

Dieser Artikel benutzt die im Artikel Prädikatenlogik erster Stufe eingeführten Begriffe und Bezeichnungen.

Symbole

Die Symbole der Prädikatenlogik zweiter Stufe enthalten neben den folgenden der ersten Stufe:

• logische Symbole:
  • Quantoren:  ,
  • Junktoren:  ,
  • technische Zeichen:  ,
• Variablensymbole: , , , …,
• eine (möglicherweise leere) Menge von Konstantensymbolen,
• eine (möglicherweise leere) Menge von Funktionssymbolen,
• eine (möglicherweise leere) Menge von Relationssymbolen,

zusätzlich noch

• Relationsvariablensymbole , , , …

deren Stelligkeit nötigenfalls als oberer Index notiert wird. Sie treten neben die Variablensymbole Auch wenn die intendierte Anwendung, nämlich die Quantifizierung über alle Relationen, schon im Namen steckt, soll an dieser Stelle wie in der Prädikatenlogik erster Ordnung davon abgesehen und die Symbole und die nachfolgenden Bildungsgesetze zunächst rein syntaktisch gesehen werden. Die Konstanten-, Funktions- und Relationssymbole , und werden wieder zu einer Menge zusammengefasst, die man dann die Signatur der Sprache nennt. Man beachte, dass die Relationssymbole zur Signatur gehören, die Relationsvariablensymbole hingegen nicht.

Terme und Ausdrücke

Terme, genauer -Terme, werden wie in der Prädikatenlogik erster Stufe durch die dort angegebenen Bildungsgesetze erklärt. Damit wurden mittels weiterer Bildungsgesetze -Ausdrücke definiert. Dies wird durch zwei weitere Regeln ergänzt:

• Ist ein n-stelliges Relationsvariablensymbol und sind Terme, so ist ein -Ausdruck.
• Sind ein -Ausdruck und ein Relationsvariablensymbol, so sind und ebenfalls -Ausdrücke.

2. Stufe

Alle -Ausdrücke, die sich nach oben angegebenen Regeln erstellen lassen, bilden die mit bezeichnete Sprache, wobei die römische für die zweite Stufe steht. Damit wird zum Ausdruck gebracht, dass man hier nicht nur über alle Variablen quantifizieren kann, sondern gemäß dem oben angegebenen zweiten Bildungsgesetz auch über alle Relationsvariablen. Damit können mehr Ausdrücke als in der Prädikatenlogik erster Stufe gebildet werden. Während zum Beispiel die Peano-Axiome in der Prädikatenlogik erster Stufe nicht formulierbar sind, verfügt die zweite Stufe über eine hinreichende Ausdrucksstärke.

Metasprachliche Ausdrücke

Im Folgenden werden metasprachliche Ausdrücke für Formeln aus verwendet, d. h., es werden in den Formeln Schreibweisen eingesetzt, die nicht durch oben angegebene Regeln gedeckt sind. An Stelle von verwendet man kleine Buchstaben wie und statt große Buchstaben wie und achtet darauf, dass keine Konflikte mit den Elementen der Signatur entstehen. Ferner ist der Gebrauch suggestiver Abkürzungen wie zum Beispiel für zulässig. Der einzige Grund dafür ist die bessere Lesbarkeit der auftretenden Formeln; es ist in jedem Fall klar, welcher syntaktisch korrekte Ausdruck mit einer solchen Formel gemeint ist.

Semantik

Strukturen und Interpretationen

Ausgehend von einer Sprache werden jetzt den oben eingeführten Symbolen eine Bedeutung zugewiesen. Wie in der Prädikatenlogik erster Stufe werden Strukturen über der Signatur definiert, um den Symbolen, Konstanten, Funktionen und Relationen der Objektwelt zuzuordnen. Eine Interpretation ist ein Paar bestehend aus einer -Struktur über einer Menge und einer sogenannten Belegungsfunktion , die jeder Variablen ein Element aus und jeder Relationsvariablen eine Relation gleicher Stelligkeit über zuordnet. Ist eine solche Belegung, eine Variable und , so sei genau diejenige Belegung, die mit Ausnahme von an allen Stellen mit übereinstimmt und lediglich an der Stelle den möglicherweise abweichenden Wert hat. Ist analog eine Relationsvariable der Stelligkeit und eine n-stellige Relation auf , d. h. , so sei analog diejenige Belegung, die mit Ausnahme von an allen Stellen mit übereinstimmt, lediglich an der Stelle den möglicherweise abweichenden Wert hat. Man beachte, dass das Variablensymbol und die Relation als Objekt dieselbe Stelligkeit aufweisen müssen, wenn die Relationssymbole an feste Stelligkeiten gebunden sind.
Wird alternativ ein gemeinsamer Pool von Relationssymbolen für alle Stelligkeiten vorgesehen und den benutzten Symbolen per Deklaration (einer partiellen Abbildung) eine Stelligkeit zugewiesen, dann kann diese Einschränkung entfallen. Die Belegungsvariante ist dann mit einer Deklarationsvariante assoziiert (die auch lokale Deklaration genannt wird), wobei dann gelten muss: Das Relationssymbol wird lokal auf die möglicherweise andere Stelligkeit umdeklariert.
Man schreibt und .

Modelle

Eine Interpretation heißt ein Modell für einen Ausdruck , geschrieben , wenn sich dies auf Grund folgender Regeln ergibt, wobei der regelhafte Aufbau der Sprache verwendet wird:

Dabei wird bei den letzten beiden Zeilen gewöhnlich eine beliebige feste Stelligkeit der Relationssymbole und der Relationen vorausgesetzt: , was gelegentlich durch einen Index n der Art angedeutet wird.

Damit ist den Symbolen eine inhaltliche Bedeutung zugewiesen. Ist eine Menge von Ausdrücken der betrachteten Sprache und ist für alle , so schreibt man abkürzend wieder . Ist eine Menge von Sätzen, das heißt, die enthalten keine freien Variablen, so sagt man auch, dass ein Modell von ist, denn die Modellbeziehung hängt in diesem Fall gar nicht von der konkreten Belegung ab.

Peano-Axiome

Bekanntlich lassen sich die Peano-Axiome nicht in der Prädikatenlogik erster Stufe formulieren, da das Induktionsaxiom eine Aussage über alle Teilmengen der betrachteten Grundmenge trifft, aber nicht über alle Teilmengen quantifiziert werden kann. Da Teilmengen aber nichts anderes als einstellige Relationen sind, kann man mit der Signatur , wobei 0 ein Konstantensymbol ist, genannt Nullelement, und ein einstelliges Funktionssymbol, genannt Nachfolgerfunktion, folgende Ausdrücke bilden:

Betrachtet man Interpretationen, also -Strukturen, in denen das Symbol 0 dann Element einer Menge ist und eine auf dieser definierte Funktion, so sagt der erste Ausdruck, dass 0 kein Nachfolger ist, denn 0 ist von allen Bildern verschieden. Die zweite Zeile drückt die Injektivität der Nachfolgerfunktion aus. Die dritte Zeile schließlich besagt, dass jede einstellige Relation (das heißt Teilmenge des betrachteten Grundbereichs), die auf 0 zutrifft und mit jedem , auf das sie zutrifft, auch auf den Nachfolger zutrifft, für alle Variablen gilt, womit das Induktionsaxiom formuliert ist. Damit ist die Prädikatenlogik zweiter Stufe echt ausdrucksstärker als diejenige erster Stufe.

Schließlich kann man zeigen, dass je zwei -Strukturen, die Modelle obiger -Ausdrücke sind, isomorph sind. In der Prädikatenlogik zweiter Stufe gibt es also keine Nichtstandardmodelle der natürlichen Zahlen.

Reelle Zahlen

Die Theorie der geordneten Körper, die sich mit der Signatur in der Sprache formulieren lässt, erlaubt keine eindeutige Kennzeichnung der reellen Zahlen bis auf Isomorphie, denn das Vollständigkeitsaxiom, nach dem jede nicht-leere, nach oben beschränkte Menge ein Supremum besitzt, lässt sich in nicht formulieren. Dieser Mangel an Ausdrucksstärke der Prädikatenlogik erster Stufe führt zur Nichtstandardanalysis. In der hier behandelten Prädikatenlogik zweiter Stufe gelingt folgende Symbolisierung der Vollständigkeit:

Zur Erläuterung dieser Formel beachte man, dass die einstellige Relation wieder für Teilmengen der Grundgesamtheit einer Interpretation steht. Für alle Teilmengen soll also gelten: Wenn diese nicht leer ist, , und wenn diese nach oben beschränkt ist, , dann gibt es ein , so dass dieses obere Schranke der Menge ist, , und jedes kleinere Element nicht mehr obere Schranke ist, . Damit ist das Vollständigkeitsaxiom in formuliert.

Mächtigkeiten

Die Prädikatenlogik zweiter Stufe bietet Möglichkeiten, über Mächtigkeiten von Mengen zu reden, die weit über die Prädikatenlogik erster Stufe hinausgehen. Im Folgenden wird die Abkürzung

verwendet, was in jeder Interpretation offenbar bedeutet, dass es genau ein mit gibt.

Endliche Mengen

Bekanntlich kann man in der Prädikatenlogik erster Stufe nicht ausdrücken, dass eine Menge endlich ist. Man kann lediglich mittels Sätzen der Art

sagen, dass eine Menge (das heißt der Grundbereich einer Interpretation) mindestens Elemente hat. trifft dann nur auf Mengen mit genau Elementen zu. Die Endlichkeit einer Menge wäre dann eine unendliche Disjunktion

die man weder in der ersten noch in der zweiten Stufe bilden kann. In der Prädikatenlogik zweiter Stufe hat man aber

In jedem Modell dieses Satzes bedeutet , dass die zweistellige Relation eine Funktion des Grundbereichs in sich ist, sagt, dass diese injektiv ist, und , dass sie surjektiv ist. Obige Formel sagt also aus, dass jede injektive Funktion des Grundbereichs in sich automatisch surjektiv ist, eine Aussage, die bekanntlich genau auf endliche Mengen zutrifft. Daher bedeutet die Formel tatsächlich, dass alle sie erfüllenden Modelle endlich sind. Dies zeigt erneut, dass die Prädikatenlogik zweiter Stufe echt ausdrucksstärker ist als die erste Stufe.

Abzählbare Mengen

Man kann in der Prädikatenlogik zweiter Stufe sogar ausdrücken, dass eine Menge höchstens abzählbar ist, denn eine Menge ist genau dann höchstens abzählbar, wenn es eine lineare Ordnungsrelation auf ihr gibt, in der jeder Anfangsabschnitt endlich ist. Dass eine lineare Ordnung ist, wird offenbar durch

beschrieben, denn diese Formel bedeutet von links nach rechts, dass die zweistellige Relation irreflexiv, transitiv und linear ist. Eine einstellige Relation , die für eine Teilmenge des Grundbereichs steht, ist genau dann endlich, wenn jede injektive Funktion dieser Teilmenge in sich schon surjektiv ist, was sich in Analogie zu obigem wie folgt symbolisieren lässt:

Die folgende Formel symbolisiert dann, dass es auf einer Menge eine lineare Ordnung gibt, in der jeder Anfangsabschnitt endlich ist, und das ist äquivalent dazu, dass die Menge höchstens abzählbar ist:

Mängel der Prädikatenlogik zweiter Stufe

Wie die folgenden Ausführungen zeigen, führt die größere Ausdrucksstärke der Prädikatenlogik zweiter Stufe dazu, dass viele wichtige Sätze der Prädikatenlogik erster Stufe nicht mehr gelten.

Ungültigkeit des Kompaktheitssatzes

Mit den oben eingeführten Formeln und lässt sich leicht zeigen, dass für die Prädikatenlogik zweiter Stufe kein Kompaktheitssatz gelten kann. Offenbar ist jede endliche Teilmenge der Formelmenge

erfüllbar, das heißt, sie hat ein Modell, denn eine endliche Teilmenge dieser Formelmenge ist für geeignetes in

enthalten, weshalb jede endliche Menge mit mindestens Elementen ein Modell ist. Dagegen gibt es kein Modell für die gesamte Formelmenge, denn ein Modell von muss eine endliche Menge sein und kann daher nicht alle erfüllen.

Da der Kompaktheitssatz aber für die Prädikatenlogik erster Stufe gilt, zeigt diese Überlegung noch einmal, dass in der Prädikatenlogik erster Stufe nicht formulierbar sein kann.

Ungültigkeit des Satzes von Löwenheim-Skolem

Im Abschnitt Mächtigkeit wurde eine -Formel erstellt, deren Modelle genau die höchstens abzählbaren Mengen sind. Würde der Satz von Löwenheim-Skolem auch für die Prädikatenlogik zweiter Stufe gelten, so müsste es zur Formelmenge ein abzählbares Modell geben, was aber nicht sein kann, denn jedes Modell von ist notwendigerweise überabzählbar.

Unvollständigkeit der Prädikatenlogik zweiter Stufe

In der Prädikatenlogik erster Stufe kann man einen Sequenzenkalkül aufstellen und von diesem nachweisen, dass er für alle Herleitungen in einer Sprache der Prädikatenlogik erster Stufe ausreichend ist, das ist der sogenannte Gödelsche Vollständigkeitssatz. Man könnte nun versuchen, einen solchen Sequenzenkalkül um Elemente, die den Umgang mit Relationsvariablensymbolen festlegen, zu erweitern, um auch für die Prädikatenlogik zweiter Stufe alle Herleitungen auf rein syntaktische Weise in einem solchen Kalkül ausführen zu können. Ein solcher Versuch muss scheitern, denn mit einem vollständigen Sequenzenkalkül für die Prädikatenlogik zweiter Stufe könnte man den Beweis, der in der Prädikatenlogik erster Stufe daraus auf den Kompaktheitssatz schließt, auf die Prädikatenlogik zweiter Stufe übertragen, aber es ist ja bereits bekannt, dass der Kompaktheitssatz hier nicht gilt.

Bezeichnet man das Schließen in einem solchen Sequenzenkalkül mit , so bedeutet , dass sich der Ausdruck durch Anwendungen der Regeln des Sequenzenkalküls aus der Formelmenge herleiten lässt. Die Schreibweise bedeute wie oben, dass jedes Modell, das erfüllt, auch erfüllen muss. Die gerade ausgeführte Überlegung zeigt also, dass es keinen Sequenzenkalkül gibt, so dass für alle Formelmengen und Ausdrücke die Äquivalenz

gilt. Das schließt nicht aus, dass es einen Sequenzenkalkül geben könnte, der diese Äquivalenz für erfüllt, dann hätte man immerhin einen Sequenzenkalkül für allgemeingültige Aussagen, aber auch das ist nicht der Fall, wie Kurt Gödel zeigen konnte. Diese Aussage nennt man die Unvollständigkeit der Prädikatenlogik zweiter Stufe. Es sei darauf hingewiesen, dass dies nicht der Gödelsche Unvollständigkeitssatz ist.

Fragmente der Prädikatenlogik zweiter Stufe

Für Anwendungen werden gewisse Beschränkungen der Ausdrücke der Prädikatenlogik zweiter Stufe betrachtet, man spricht von Fragmenten der Prädikatenlogik zweiter Stufe und interessiert sich für deren Ausdrucksstärke.

∃SO und ∀SO

In der existentiellen Prädikatenlogik zweiter Stufe beschränkt man sich auf Ausdrücke der Form

wobei ein Ausdruck der Prädikatenlogik erster Stufe in einer um erweiterten Signatur ist. Insbesondere sind keine Allquantoren über Relationensymbole erlaubt. Wegen der englischen Bezeichnung existential second order logic wird dieses Fragment mit ∃SO bezeichnet. Die Klasse der mittels ∃SO-Ausdrücken definierbaren Strukturen ist über den Satz von Fagin eng mit den Sprachen der Komplexitätsklasse NP verbunden, so dass sich bei geeigneter Codierung ∃SO mit NP identifizieren lassen.

Analog besteht die universelle Prädikatenlogik zweiter Stufe aus Ausdrücken der Form

mit einem Ausdruck der Prädikatenlogik erster Stufe wie oben. Dieses Fragment wird mit ∀SO bezeichnet. In der Komplexitätstheorie gehört ∀SO zur Komplexitätsklasse coNP, denn die ∀SO-Ausdrücke sind genau die Negationen der ∃SO-Ausdrücke und umgekehrt.

Allgemeiner lassen sich Fragmente als Menge von Ausdrücken der Form

definieren und analog als Menge der Negationen von . Damit ist und . Die Fragmente und beschreiben dann die Komplexitätsklassen der polynomialen Hierarchie.

MSO

Ein weiteres wichtiges Fragment erhält man, wenn man die Quantifizierung über Relationen auf einstellige Relationen, das heißt in jeder Interpretation auf Teilmengen des Universums, einschränkt. Man nennt dies die monadische Prädikatenlogik zweiter Stufe oder kurz, nach dem englischen monadic second order logic, MSO. Auch hier interessiert man sich für die Ausdrucksstärke und geht dazu auch auf kleinere Fragmente über wie etwa ∃MSO, was aus Ausdrücken besteht, die in MSO und in ∃SO liegen. Auch das lässt sich auf naheliegende Weise zu mit und bezeichneten Hierarchien erweitern.

Siehe auch

• Satz von Fagin
• Satz von Trachtenbrot
• Prädikatenlogik höherer Stufe

Literatur

• Heinz-Dieter Ebbinghaus, Jörg Flum, Wolfgang Thomas: Finite Model Theory. Springer Verlag, 1995, ISBN 3-540-28787-6.
• Heinz-Dieter Ebbinghaus, Jörg Flum, Wolfgang Thomas: Einführung in die mathematische Logik. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, ISBN 3-8274-0130-5. 
• Leonid Libkin: Elements of Finite Model Theory. Springer-Verlag, 2004, ISBN 3-540-21202-7.
• Stefan Brass: Mathematische Logik mit Datenbank-Anwendungen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Informatik, Halle 2005, S. 176 (informatik.uni-halle.de [PDF]). 
  Alternative Notation für eine lokal modifizierte Variablendeklaration und -belegung.
• Klaus Grue: Object Oriented Mathematics. Universität Kopenhagen, Department of Computer Science (Datalogisk Institut), 1995, S. 21 (diku.dk [PDF]). 
  Generelle Maplet-Notation, ebenfalls eine Notation für lokal modifizierte Variablendeklaration und -belegung.
• Carsten Lutz: Logik Teil 4: Prädikatenlogik zweiter Stufe. Universität Bremen, AG Theorie der künstlichen Intelligenz, 2010, S. 65 (informatik.uni-bremen.de [PDF] Vorlesung im Wintersemester 2010). 
• François Bry: 2.10 Exkurs: Prädikatenlogik zweiter Stufe. LMU, Institut für Informatik, Lehr- und Forschungseinheit für Programmier- und Modellierungssprachen, München 1999 (en.pms.ifi.lmu.de). 
• Esther Ramharter, Günther Eder: Prädikatenlogik zweiter Stufe. SE Modallogik und andere philosophisch relevante Logiken. WS 2015/2016. Universität Wien, S. 22 (homepage.univie.ac.at [PDF]). 

Anmerkungen und Einzelnachweise

1. Ramharter, Eder (2015/16) lassen zusätzlich noch Funktionsvariablen zu, sie könnten z. B. mit bezeichnet werden. Relationsvariablen der Stelligkeit 0 stellen Aussagevariablen dar; Funktionsvariablen der Stelligkeit 0 entsprechen gewöhnlichen Variablen.
2. Wenn Funktionsvariablen zugelassen sind (Ramharter, Eder 2015/16), dann kommt zu den Bildungsgesetzen für Terme noch das folgende hinzu:
   • Ist ein n-stelliges Funktionsvariablensymbol und sind Terme, so ist ein -Term.
3. Dazu wird gewöhnlich für jede Stelligkeit eine eigene Menge an n-stelligen Relationsvariablensymbolen vorgesehen. Beispiele dafür finden sich bei F. Bry (1999) Def. 2.10.1, C. Lutz (2010) S. 6 und 8, und Ramharter, Eder (2015/16) S. 17 (letztere kennzeichnen die feste Stelligkeit von Relationsvariablen mit einem Index).
   Eine andere Möglichkeit besteht darin (wie in der mehrsortigen Logik erster Stufe) mit einem einzigen Vorrat an Relationssymbolen zu arbeiten, und den benutzten Relationsvariablensymbolen eine Stelligkeit über eine (partieller) Abbildung (Variablendeklaration) zuzuweisen.
4. Mit beliebigen (Menge der Variablensymbole), (Wertebereich) ist die lokal modifizierte Variablenbelegung (auch (-)Variante genannt) eine (ggf. nur partiellen) Abbildung von nach mit Alternative Schreibweisen für sind
   • – Carsten Lutz (2010) S. 8,
   • – Stefan Brass (2005) S. 56, dort angegeben für eine Variablendeklaration statt -belegung und
   • (oder ) – Klaus Grue (1995), S. 11, dort allgemeine Maplet-Notation angegeben.
   Ramharter, Eder (2015/16) S. 17 bezeichnen die Variablenbelegung mit statt .
   Für den Fall, dass bereits dem Definitionsbereich von angehört, wird der ursprüngliche Bildwert überschrieben.
5. Eine entsprechende Vorgehensweise in der mehrsortigen Prädikatenlogik erster Stufe (d. h. mit Sorten statt Stelligkeiten) findet sich bei S. Brass (2005) S. 54–56.
6. Wird alternativ mit einer einzigen Menge an Relationssymbolen und einer Stelligeitsdeklaration gearbeitet, dann konnten die letzten beiden Zeilen so lauten: Dabei ist für im Wirkungsbereich (Skopus) der Quantoren eine lokale Variante der Stelligkeitsdeklaation wirksam. Im vielsortigen Fall ist lediglich die Stelligkeit zu erweitern auf einen Argumenttyp mit den Sorten , wobei die Sorten Symbole für die Objektbereiche sind – für einsortige Logik siehe Brass (2005).
7. Leonid Libkin (2004), S. 173
8. H.-D. Ebbinghaus, J. Flum, W. Thomas (1995), S. 40.