• Aucun résultat trouvé

Formulation et réalisation du schéma

Quatre nouvelles instructions

On considère quatre instructions notées γ, E, U0et U1définies par les règles

d’exécution suivantes :

γt·πEt·n·π où n est le numéro de la pile π

Et·u·πt⋆((U0)(E)t)ukπ· ((U1)(E)t)ukπ·π U0⋆t·u·v·w·πwt·u·v·π U1⋆η·n·kπ·u·η′·n′·kπ′·ρ ≻      η′⋆n·π si nnηn′·πsi nnuρ sinon

On pourrait aisément écrire avec les seules instructions cc et σ quatre quasi- preuves possédant ces propriétés de réduction ; on utilise néanmoins des ins- tructions supplémentaires afin de faciliter la compréhension du terme réalisant le schéma d’axiome considéré.

Le schéma et sa réalisation

On peut évidemment rajouter des paramètres à la formule F considérée. Après contraposition, le schéma d’axiome considéré s’exprime donc comme suit :

Pour toute formule F(−→n,−→Ψ, x, y) à deux variables libres x et y, il existe une ap- plication φ telle que

∀−→n∀−→RxhF(−→n,−→R, x, φ(−→n,−→R, x)) → ∀yF(−→n,−→R, x, y)i.

Ce qui donne en logique du second ordre l’énoncé suivant, où les paramètres ont été effacés pour plus de clarté :

Pour toute formule F(x, y) à deux variables libres x et y, on a

Zx  ∃z    ∀y{Z(x, y) → y=z},∀y{y=zZ(x, y)}     ^ ∀zF(x, z), Z(x, z) → ∀yF(x, y)   i .

6.2 Formulation et réalisation du schéma 131 On peut en fait construire le prédicat noté Z ci-dessus en fonction de la formule F, ce qui permet de réaliser par une quasi-preuve indépendante de la formule F

choisiela formule suivante :

x  ∃z    ∀y{Z(x, y) → y =z},∀y{y =zZ(x, y)}     ^ ∀zF(x, z), Z(x, z) → ∀yF(x, y)   i . Pour simplifier la quasi-preuve obtenue, nous allons dans cette partie démon- trer que γ réalise le schéma équivalent suivant :

Pour toute formule F(x, y) à deux variables libres, il existe un prédicat binaire V

tel quex  ∀z    ∀y{V(x, y) → y =z},∀y{y =zV(x, y)} → F(x, z)    → ∀zF(x, z)  . Cet énoncé exprime que pour tout individu x, si la formuleyF(x, y)est fausse, alors V(x, .) est un singleton, et l’unique élément z qu’il contient est tel que

¬F(x, z) est vérifiée. On peut donc en déduire la formulation précédente, en définissant Z par Z(x, y) ≡ V(x, y) si ∀yF(x, y) est fausse, et Z(x, y) ≡ y = a sinon.

Définitions/Notations : Considérons jusqu’à la fin de cette partie une formule à paramètres F(x, y), dont x et y sont les seules variables libres.

On fixe d’abord une application f : N 2 →N possédant la propriété suivante

x ∈N ,z N , πz ∈ ||∀yF(x, y)|| =⇒ πz ∈ ||F(x, f(x, z))||, construite en utilisant l’axiome du choix dépendant sur N .

On appelle alors V le prédicat binaire défini, quels que soient les éléments x et yde N , par V(x, y) = ∀n      \ mn |{m} → F(x, f(x, m))|,{n}, Φ(n, x) → y= f(x, n)      où Φ(n, x) = {kπ; π ∈ ||F(x, f(x, n))||}.

Le sens de ce prédicat est le suivant : s’il existe un plus petit entier n du mo- dèle tel que ¬F(x, f(x, n)), V associe à x l’élément f(x, n), et sinon V associe tous les individus de la forme f(x, p) à x. C’est-à-dire qu’aucun choix n’est fait

lorsque cela n’est pas nécessaire : c’est ce « minimalisme » dans la définition de V qui permet de simplifer la quasi-preuve obtenue γ en modifiant la formula- tion de l’axiome.

132 L’axiome du choix au premier ordre Remarque : On se reportera à [18], où est réalisée l’équivalence entre chaque formule de la forme¬FG et la formule{kπ; π ∈ ||F||} → G.

Avec ces définitions, on va pouvoir démontrer le résultat annoncé. Il faut pour cela se restreindre aux ensembles⊥⊥saturés pour chacune des quatre nouvelles instructions considérées.

Théorème 6.2.1.

L’instruction γ réalise la formule

x  ∀z    ∀y{V(x, y) → y =z},∀y{y =zV(x, y)} → F(x, z)    → ∀zF(x, z)  .

La présence éventuelle de paramètres−→n et −→R dans la formule F ne change rien à la démonstration, seul le prédicat V en dépend. On montre d’abord le résultat suivant.

Lemme 6.2.2.

L’instruction E réalise la formule

xn[H(x),{n} → F(x, f(x, n))]

où H(x) désigne la formule suivante :

p    ∀y{V(x, y) → y= f(x, p)},∀y{y= f(x, p) →V(x, y)} → F(x, f(x, p))    .

Démonstration. Soit x∈ N . On va démontrer par induction (relativement à ⊳)

que quel que soit l’élément n de N , le terme t réalisant H(x) et la pile π dans

||F(x, f(x, n))||, le processus Et·n·π est dans ⊥⊥.

Ce processus se réduisant en t⋆((U0)(E)t)nkπ· ((U1)(E)t)nkπ·π, il nous suffit

de montrer considérant que⊥⊥est saturé pour l’instruction E que : i) ((U0)(E)t)nkπ réalise ∀y{V(x, y) → y= f(x, n)}.

ii) ((U1)(E)t)nkπ réalise∀y{y = f(x, n) → V(x, y)}.

Pour démontrer i), on considère y∈ N ainsi qu’un terme u réalisant V(x, y) et une pile ρ dans ||y = f(x, n)||. Le processus ((U0)(E)t)nkπu·ρ se réduit en u⋆(E)t·n·kπ ·ρ, ce qui donne le résultat considérant que ⊥⊥ est saturé

pour U0, que u T

mn|{m} →F(x, f(x, m))|,{n}, Φ(n, x) →y=f(x, n)et que par hypothèse d’induction(E)t réalise{m} → F(x, f(x, m))pour tout mn. Pour ii), on considère y ∈ N , un terme u réalisant y = f(x, n) ainsi qu’une pile ρdans V(x, y). Il existe donc nN , t T

mn′|{m} → F(x, f(x, m))|, π

||F(x, f(x, n′))|| et ρ ∈ ||y = f(x, n′)|| tels que ρ′ = t′·n′·kπ′·ρ. Il nous faut

6.2 Formulation et réalisation du schéma 133 en U1⋆(E)t·n·kπ·u·t·n·kπ′·ρ, et la suite de l’exécution dépend de l’ordre

relatif entre n et n. Dans chacun des cas on obtient le résultat considérant que

⊥⊥est saturé pour U1.

Si n = n, ce processus se réduit en uρ, qui est dans ⊥⊥ car u réalise alors

y= f(x, n′).

Si nn, ce processus se réduit en t′⋆n·π qui est dans ⊥⊥ car t′ est dans

T

mn′|{m} → F(x, f(x, m))|, et réalise donc{n} → F(x, f(x, n)).

Si n n, ce processus se réduit en Et·n·πqui est dans, par hypothèse

d’induction.

On peut alors conclure.

Démonstration du théorème6.2.1. Soit x ∈N . On considère un terme t réalisant

z∀y{V(x, y) → y=z},∀y{y=zV(x, y)} → F(x, z)  

ainsi qu’une pile π = πn dans ||∀zF(x, z)||. On doit montrer que le processus

γt·πest dans⊥⊥. Celui-ci se réduisant en Et·n·π, il suffit considérant que ⊥⊥ est saturé pour γ de montrer Et·n·π ∈ ⊥⊥. Mais comme π = πn, on a

π ∈ ||F(x, f(x, n))||, et comme par ailleurs il est clair que t réalise

p    ∀y{V(x, y) → y= f(x, p)},∀y{y= f(x, p) → V(x, y)} → F(x, f(x, p))    

le lemme précédent permet de conclure que le processus Et·n·π est dans ⊥⊥, ce qui donne le résultat.

Signalons enfin que les seules opérations qui seront effectuées sur les entiers produits par l’instruction γ sont des comparaisons, via l’instruction U1. Il est

évidemment hors de propos de calculer le successeur d’un tel entier. On pour- rait en fait réaliser l’axiome du choix au premier ordre en utilisant une seule instruction, notée U, dont la règle d’exécution est la suivante :

Uη·kπ n·u·η·k πn′ ·ρ≻      η′⋆πn si nnηπnsi nnuρ sinon

L’instruction présentée ici a néanmoins été choisie car elle permet une dé- marche plus pédagogique.

Chapitre

7

Le théorème de Herbrand

Les principaux résultats de cette section se trouvent dans [10].

7.1 Enoncé usuel du théorème

Le théorème de Herbrand établit que pour toute formule du premier ordre F, il existe une formule existentielle FH telle que :

i) La formule FFH est démontrable.

ii) Si la formule FH est démontrable, alors la formule F l’est également.

Mais la plupart des applications de ce théorème n’utilisent qu’un énoncé res- treint. Nous allons dans la suite considérer le cas typique suivant :

Etant donné un langage L et une formule prénexe du premier ordre de la forme

xyF(x, y) écrite dans L , si ϕ désigne un symbole de fonction n’appartenant pas

à L , alors :

i) La formulexyF(x, y) → ∃xF(x, ϕx)est démontrable.

ii) Si la formulexF(x, ϕx) est démontrable, alors la formulexyF(x, y) l’est

également.

La formule ∃xF(x, ϕx) est appelée la forme de Herbrand dexyF(x, y). La forme de Herbrand d’une formule G est équivalente à la négation de la forme de Skolem de ¬G.

Dans ce chapitre, nous allons réaliser une formule exprimant ce cas particu- lier du théorème de Herbrand. Cela donnera un premier exemple d’utilisation de l’instruction γ associée à l’axiome du choix au premier ordre. Cette formu- lation aura également l’intérêt de posséder une interprétation dans le cadre des protocoles réseaux.

136 Le théorème de Herbrand