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/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / sci / logic / 2107 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-11-19  |  9.7 KB

  1. Path: sparky!uunet!zaphod.mps.ohio-state.edu!saimiri.primate.wisc.edu!caen!destroyer!ncar!noao!arizona!gudeman
  2. From: gudeman@cs.arizona.edu (David Gudeman)
  3. Newsgroups: sci.logic
  4. Subject: recursive definitions and paradoxes
  5. Message-ID: <26788@optima.cs.arizona.edu>
  6. Date: 19 Nov 92 20:16:01 GMT
  7. Organization: U of Arizona CS Dept, Tucson
  8. Lines: 211
  9.  
  10. A "recursive definition" of a name X is a sentence of the form
  11.  
  12.   X := E
  13.  
  14. where E is an expression that contains X as a free variable.  Naively we
  15. might associate with such definitions the axiom
  16.  
  17.   X := E => X = E
  18.  
  19. To express what a definition means.  (We also need some syntactic rules
  20. to allow the introduction of definitions so that the same name is not
  21. used for different purposes.)
  22.  
  23. Here are some examples of recursive definitions:
  24.  
  25. (1) x := x + 1
  26. (2) x := x * 2
  27. (3) x := 1/x
  28. (4) x := x * 1
  29.  
  30. Definition (1) fails to define x because there is no x that satisfies
  31. the equation.  (3) and (4) both fail to define x because there are more
  32. than one object that satisfy the equation.  (2) defines x = 0 because
  33. that is the unique solution to the equation.  When a recursive
  34. definition is based on an equation that has a unique solution, then it
  35. is called a well-founded recursion.  If the equation has no solution or
  36. more than one solution, the recursion is said to be ill-founded.
  37.  
  38. Using (1) and the naive axiom of definition you can prove
  39.  
  40.   x := x + 1
  41.   x = x + 1
  42.   x - x = 1
  43.   0 = 1
  44.  
  45. which is a contradiction.  The lesson is that before you can use a
  46. recursive definition in a proof, you must show that it is well-founded.
  47.  
  48. A recursive set definition might look like this:
  49.  
  50.   S := {x : (x = {} or x = S) and ~(x E x)}                (5)
  51.  
  52. It should be clear that (5) is a recursive definition.  It should also
  53. be clear that there is no S satisfying the equation implied by the
  54. definition, therefore it is an ill-founded recursive definition.
  55. Furthermore, there is no need to look further for an ``explanation'' of
  56. the inconsistency that arises when you assume that the definition
  57. actually defines something.  When you have said that the definition is
  58. an ill-founded recursive definition you have said all that needs to be
  59. said.
  60.  
  61. What I have written up to now is well-known and should be
  62. uncontroversial.  So now lets apply the notions to the theory ZF (or Z,
  63. for that matter) by adding definitions with the proper syntactic
  64. restrictions and adding the naive axiom of definition:
  65.  
  66.   X := E -> X = E
  67.  
  68. to get the theory ZF+ND.  (This theory is inconsistent, but let's ignore
  69. that for now).  In ZF+ND you can form the following paradoxical set:
  70.  
  71.   S := {x E {{},S} : ~(x E x)}                            (6)
  72.  
  73. Clearly, this is logically equivalent to (5) and so is also a definition
  74. based on an ill-founded recursion.  This is a simplified version of the
  75. paradox of the library catalogue that lists all catalogues that do not
  76. list themselves.  Curry, in _Foundations of Logic_ dismisses this
  77. paradox rather sanguinely as a ``pseudo-paradox'', saying that the
  78. catalog just cannot be constructed.  But it is obvious (to me, anyway)
  79. that this is merely a finite version of Russel's paradox, less artfully
  80. concealed because the recursion is explicit.
  81.  
  82. But consider the paradoxical definitions
  83.  
  84.   S := {{},R}
  85.   R := {x E S : ~(x E x)}                                (8)
  86.  
  87. where the definition of R has exactly the same form as the definition of
  88. Russell's paradoxical set (replacing S with the universal set).  But
  89. here, S is a set with only two elements!  Given such a clear example of
  90. Russell's paradox by quantifying over a finite set, I don't see how
  91. anyone can still claim that Russell's paradox is somehow caused by a
  92. universal set that is "too big".  Size has nothing to do with it, the
  93. only consideration is how it is defined.  Clearly in this example the
  94. problem is an ill-founded mutual recursion between the two set
  95. definitions.
  96.  
  97. Now let us take one more step and consider the theory ZF+ND+U of ZF+ND
  98. with a universal set axiom:
  99.  
  100.   Forall y. y E U
  101.  
  102. People knowledgeable in set theory will immediately recognize this as an
  103. inconsistent theory, because ZF |- ~U.  However, the theory ZF+ND is
  104. already inconsistent, so I haven't done any damage.  If the reader will
  105. bear with me I will solve both of these inconsistencies in one swell
  106. foop at the end (trust me :-).
  107.  
  108. Consider
  109.  
  110.   S := {x in U : ~(x E S)}
  111.  
  112. which is an ill-founded recursive definition.  If you replaced the
  113. second S with another set (that is not defined recursively with S), then
  114. this definition would not lead to inconsistency, so I hope that everyone
  115. will agree with me that the "cause" of the inconsistency in the above is
  116. the ill-founded recursion.
  117.  
  118. Now consider Russell's paradoxical set
  119.  
  120.   R := {x E U : ~(x E x)}
  121.  
  122. which is clearly not recursive in the sense I gave above.  In other
  123. words, the name being defined does not occur (syntactically) in the
  124. expression.  Just as clearly though, this R is closely related to the
  125. one in (8).  I claim then, that there is an ill-founded mutual recursion
  126. going on between this definition and the definition of U.  Basically, U
  127. is defined by quantifying over all y, where R is one of the y.
  128. Similarly, R is defined as an element of U.  Recursion-by-quantifier is
  129. not included my original definition of recursion, so I will have to
  130. broaden the definition.
  131.  
  132. Before I give my new definition of recursion, let me discuss
  133. impredicativity and explain why I did not use that term to begin with.
  134. Impredicativity, as I understand it, is the use of a quantifier over a
  135. domain that is incomplete in some sense.  One might say that {x E U :
  136. ~(x E x)} is impredicative because x quantifies over a set U that
  137. contains x, and that U is not complete until x is defined.  I don't like
  138. this notion because it seems vague.  After all, there is no time for
  139. mathematical objects, so the phrase "when" must be an analogy for
  140. something _like_ a period of time, but I have no idea what this
  141. analogous thing is.  (Whatever it is, it is _not_ a stage in the
  142. iterative hierarchy, because assuming that is equivalent to assuming
  143. that all sets are defined by the iterative hierarchy --a position that I
  144. deny.)
  145.  
  146. Now I could have used the term "impredicative" instead of "recursion"
  147. since I am forced to generalize either term to make it work.  I chose
  148. recursion in order to avoid giving the impression that I was making
  149. arguments similar to the various arguments about impredicativity that
  150. have been made before.  But I have not agreed with any of those
  151. arguments, and I wanted to avoid this confusion.  Unfortunately, the
  152. confusion arose anyway.  I hope these comments are enough to straighten
  153. things out.
  154.  
  155. Going back to recursion, I want a redefinition of the concept that will
  156. bring out the similarity in all the inconsistent definitions I have
  157. proposed.  Clearly, S := {x E U : ~(x E x)} does contain a sort of
  158. circularity in that the variable x quantifies over a set that contains
  159. S.  We can expand the above notation into something like
  160.  
  161.   S := (if x1 E x1 then {} else {x1}) union
  162.          (if x2 E x2 then {} else {x2}) union
  163.        (if x3 E x3 then {} else {x3}) union ...
  164.  
  165. with one term for each set in U.  If we do so (and the sets are
  166. enumerable) we will find one expression at some finite position i where
  167. xi = S.  There is the recursion.  The recursion is not syntactic, but
  168. there is certainly a circularity in the definition.
  169.  
  170. So I propose to redefine the notion of a recursive definition to be
  171. something like  "X := E is recursive if E contains a free occurence of
  172. X or if E contains a bound variable that quantifies over a class that
  173. include the value that X would denote if it denotes anything".  "Would
  174. denote" obviously requires formalization.  Furthermore, this definition
  175. does not include the possibility of a term F(y) where y quantifies over
  176. such a range that F(y) = X for some y.  So I propose
  177.  
  178.   Definition: a definition X := E is _recursive_ iff there is a proper
  179.   subterm F of E such that X=E => X=F for some legal substitution of the
  180.   bound variables in E.
  181.  
  182. This does not entirely solve the problem of Russell's paradox because
  183. that paradox exists without the axiom of definition.  So I propose the
  184. following definition of a recursive term:
  185.  
  186.   Definition: a term E is _recursive_ iff there is a proper subterm F of
  187.   E such that E=F for some legal substitution of the bound variables in E.
  188.  
  189. Then we can talk about ill-founded recursive terms as well as about
  190. recursive definitions.  The distinction, I think, is not essential.
  191.  
  192. Notice that I am not claiming that all recursion causes paradox.  On the
  193. contrary, I believe that set theories should allow recursion, and ZF's
  194. lack of it is one of the reasons I think the theory is inadequate.  I
  195. claim that the problem is caused specifically by _ill-founded_ recursion
  196. in my sense, namely that the equation implied by the definition does not
  197. have a unique solution.
  198.  
  199. And I don't think that there is any mysterous problem about ``defining
  200. something in terms of itself'' or ``quantifying over something that does
  201. not yet exist''.  There is simply the problem that some equations don't
  202. have unique solutions.  And this problem only tells us that we have to
  203. be careful what we take to be definitions, it does not tell us that some
  204. sets are too big to be sets, that self-reference is illegitimate, or
  205. that recursion is illegitimate.
  206.  
  207. I propose for discussion the
  208.  
  209.   Axiom of Definition: (X := E /\ Exist! X.X=E) => X = E
  210.  
  211. where "Exist! x" means "there exists a unique x such that".  What if you
  212. altered ZF to contain this axiom (and introduction of definitions)?  In
  213. the first place, you could immediately prove the existence of all sets
  214. that are already there.  And by adding some of the well-known machinery
  215. from recursion theory to prove Exist!... you could also talk about a lot
  216. of self-containing sets.  Wouldn't this theory be much more powerful
  217. than ZF?
  218. -- 
  219.                     David Gudeman
  220. gudeman@cs.arizona.edu
  221.