逻辑(系统) 的基本功用是可以被用来系统性地独立于任何个人意志地解决思辨过程中可能出现的分歧, 以确保思辨者理性选择并信服正确性. 要具备这样的基本功用, 逻辑(系统) 本身就必须是系统的和正确的. 逻辑学则正是关于逻辑系统的系统性和正确性的学问. 逻辑学需要回答一个逻辑系统是怎样实现它的基本功用以及它本身为何具有所需要的系统性和正确性这样的系统问题. 因此, 这本入门指南的一个基本任务就是解答关于一阶数理逻辑系统的系统问题.

早在两千五百年前, 古希腊哲学家柏拉图就主张以辩证法来保证结论的合理性由前提的合理性所提供; 他的学生亚里士多德系统地建立起形式逻辑, 明确了结论与前提间合理性正确的依赖关系以及导出规则. 在长达将近两千三百年的时间区间上, 亚里士多德的形式逻辑系统一直主导着西方思想界的正确观. 这个期间应用这种形式逻辑的典范自然要算欧几里得的几何学. 但是, 亚里士多德的形式逻辑系统的系统性存在着极大的缺陷, 它的正确性也没有得到保证.

大约三百五十年前, 德国的哲学家莱布尼兹清楚地意识到解决亚里士多德形式逻辑系统正确性问题的一种途径便是建立起符号计算体系, 就如同代数学那样,通过对于符号的演算来解决思辨过程中的分歧, 从而确保正确性. 解析莱布尼兹之梦的第一人是英国的一位中学教师布尔. 1847年, 布尔成功地将亚里士多德的形式逻辑解释为布尔代数理论, 或者称布尔逻辑. 正是基于布尔的这种代数理论, 莱布尼兹的符号计算之梦得以实现; 现代计算机及其逻辑电路才有所依赖. 本书的第1 章正是关于命题逻辑系统的理论. 我们将会看到亚里士多德形式逻辑系统的正确性问题是怎样得到解决的. 命题逻辑系统原本可以植入到后面的一阶逻辑系统之中. 之所以分开单独为一章, 就在于从形式逻辑到命题符号逻辑恰恰是人类经历过的具有重要意义的一次纯粹的抽象. 真正理解这种符号化抽象自然将是非常有益的.

亚里士多德形式逻辑的系统缺陷的明显之处在于它甚至不能满足欧几里得几何学的需要, 因为这个系统之中的规范表达式都只能是极其简单的表达式. 为了满足数学理论发展的需要, 逻辑学亟待重生. 19 世纪后半叶正是逻辑学获得重生的时期. 1879 年, 德国哲学家弗雷格在命题演算系统的基础上引进了对于在实在论域之中变化的变元进行限定的作用符—— 量词, 明确规定了命题符号中的基本形式和规范形式, 以及明确了所有的演算推理规则. 一阶数理逻辑系统由此被建立起来. 十年之后, 1889 年, 意大利数学家皮阿诺在弗雷格一阶数理逻辑体系下建立起关于自然数的皮阿诺算术系统, 开启了现代数学在一阶数理逻辑框架之下重构的先河.

《数理逻辑导引》将用现代语言来解释弗雷格的一阶数理逻辑演算系统, 并解释这个系统怎样实现它的基本功用, 以及它的系统性和正确性.这本入门指南的一个延展任务是在一阶数理逻辑的框架下解释关于数这个概念的认识历程和结果. 这种解释将集中在关于数这个概念的五种基本解释结构理论—— 自然数、整数、有理数、实数和复数—— 之上. 这里着重回答的问题包括两类: 各种相应的数概念的解释结构理论是否完全? 它们上面的可定义性如何?在一定意义上, 可以说现代数学理论基本上都围绕着各种各样结构对象的存在性问题、分类问题以及它们上面的可定义性问题展开. 本书作者正是希望通过对这些人所共知几乎成为人们常识的结构对象的分析来阐明一阶数理逻辑具备强大的数学的系统功能.

这本导引相当大一部分是我在中国科学院大学给高年级本科生和一年级研究生讲授"数理逻辑"课程的综合产物. 这本导引中还有一些素材是我给中国科学院数学研究所几位从事数论或代数研究的同事以及他们的研究生开设的一个系列讲座的产物. 我将这本书称之为导引, 本意是完成一种抛砖引玉的过程. 对于像数理逻辑这样一个纯粹思维理论的领域, 我不会奢望对它有多么深刻和广博的理解, 但愿我这点微薄的理解可以带给初次接触并有心进入这个纯粹而美妙领域的后来者一些微不足道的启迪. 如果这本导引能够有助于某位后生找到打开一扇让他一辈子感受无穷乐趣的智慧宇宙大门的钥匙, 那么我会感到非常欣慰. 我自己曾经得益于哈尔滨工业大学的孙希文先生和宾州州立大学的耶赫(T. Jech) 先生, 以及他们所使用的教材—— 一本由一位美国杜克大学的逻辑学家熊费尔德(Shoeneld) 所写的《数理逻辑》. 孙老师将我引进了这个纯粹思维的美妙世界; 熊费尔德书中为论域中的个体命名, 以建立一种所需要的理论的做法令我体会到什么是纯粹的兴奋; 正是这种难以遏制的兴奋驱使我到美国后离开了计算机软件专业跑到宾州州立大学拜耶赫为师; 耶赫老师引导我在无穷世界安身立足. 熊费尔德是一位卓越的作者, 他的书引人入胜, 美妙绝伦. 这也便是(国际) 符号逻辑协会在他去世之后专门设置熊费尔德奖以奖励那些优秀的数理逻辑学著作或论文的作者, 从而激励后生们以熊费尔德为榜样致力于精致著书立说. 我曾经在读研究院的时候有幸在波士顿当面受教于熊费尔德, 一位绅士般的学者. 写下这几行文字, 是我对尊敬的孙老师和耶赫老师的一种感谢, 以及对熊费尔德先生的一种缅怀.

熊费尔德的《数理逻辑》一书应当是面向研究生的. 本书则是面向高年级本科生的. 但熊费尔德的《数理逻辑》一书自然而然会是我的参考书. 事实上本书中哥德尔不完全性定理的证明便是参照熊费尔德的《数理逻辑》而写的, 因为那毕竟是我自以为读懂哥德尔不完全性定理及其证明的唯一的一本书, 也是我为中国科学院数学所和新加坡国立大学数学系数理逻辑研究生开设的"数理逻辑" 课程的教材.写这本导引的原始激励来自新加坡国立大学的庄志达教授, 一位不可多得的二十年多年的朋友和同事. 正是他直接问我: 为什么不写一本中文版的《数理逻辑》教材呢？我似乎一直还在等待什么. 激励我改变惰性状态的是由美国加州大学数学系斯莱曼(T. Slaman) 教授和武丁(H. Woodin) 教授合写的《伯克利本科生数理逻辑讲义》. 这是一本大约120 页的英文讲义. 我曾经在新加坡国立大学给高年级本科生以这本讲义为教材开设一学期的"数理逻辑" 课程, 以及以这本英文讲义为蓝本在北京大学为7 位高年级本科生开设过一个学期的中文"数理逻辑" 课程. 这本讲义的一个基本特点就是以有理数轴、实数轴、整数轴以及自然数轴为具体的例子来展开一阶逻辑系统和基本理论的创建和分析. 受到这种激励自然得益于自己二十多年来与这本讲义的两位作者的友情交往. 考虑到我们应当对中国科学院大学有心接触数理逻辑的高年级学生有更高一些的定位, 我便试图在这本伯克利讲义的基础上扩充成现在这本导引. 无疑, 这本导引实际上极大地受惠于斯莱曼和武丁的伯克利讲义. 这本导引扩充所需要的素材许多都直接取自我所熟悉的另外一位逻辑学家的杰作, 一本由美国伊利偌伊大学芝加哥分校的马克教授为研究生所写的教科书《模型论导引》. 这本导引中有关实数域理论以及巴黎-哈灵顿独立性定理的部分内容基本上取自马克教授的书. 在数理逻辑界, 与我同龄的数理逻辑研究生们一般都会花不少时间来学习张和凯斯勒的《模型论》以及萨克斯的《饱和模型论》. 很明显, 这本导引不可避免地借用这些作者的优美陈述. 很荣幸, 我曾经有过当面向凯斯勒教授(威斯康辛大学) 和萨克斯教授(哈佛大学与麻省理工学院) 讨教的机会.借此机会, 我谨向庄志达、斯莱曼、武丁、马克教授表示真诚的感谢以及向凯斯勒先生和萨克斯先生表示诚挚的敬意. 也借此机会谨向我在中国科学院数学研究所的同事王元院士、杨乐院士、席南华院士以及李邦河院士表示真诚的感谢和诚挚的敬意, 感谢他们多年来一直对我个人以及对数理逻辑在数学所、数学院乃至我国的发展给予的关怀、帮助和支持. 还请允许我表达对中国科学院软件研究所黄且圆女士的怀念之情, 一位难以忘怀和值得敬重的中国数理逻辑学界的先辈和故友. 最后请允许我向科学出版社和通读这本导引初稿并提出许多宝贵修改建议的李静科编辑表达最真诚的感激之情.

本文摘编自《现代数学基础丛书》，冯琦编著《数理逻辑导引》一书序言部分，内容有删节。

北京: 科学出版社, 2017. 9

ISBN 978-7-03-054579-4

责任编辑: 赵彦超 李静科

《数理逻辑导引》是作者在新加坡国立大学、北京大学和中国科学院大学为本科高年级学生开设的数理逻辑选修课和在新加坡国立大学、中国科学院数学与系统科学研究院为研究生开设的专业课程所写讲义基础上整理出来的结果. 本书主要由一阶逻辑的核心内容和有关数的逻辑探索和分析两大部分组成, 其中包括完备性、紧致性、同质缩小、型省略等基本定理; 有关数的经典理论的完全性和可定义性分析; 哥德尔不完全性定理、丘奇不可判定性定理、塔尔斯基自然数标准模型真相不可定义性定理以及巴黎-哈灵顿不完全性定理.本书可供数学系和理论计算机科学系高年级本科生、研究生或对数理逻辑有兴趣的读者使用, 也可以作为参考材料供相关课程的教师使用.

（本文编辑：王芳）

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