A mechanised proof of Gödel’s incompleteness theorems using Nominal Isabelle

Se ha publicado un artículo de razonamiento formalizado en Isabelle/HOL sobre metalógica titulado A mechanised proof of Gödel’s incompleteness theorems using Nominal Isabelle.

Su autor es Lawrence C. Paulson (de la Universidad de Cambridge).

Su resumen es

A Isabelle/HOL formalisation of Gödel’s two incompleteness theorems is presented. Aspects of the development are described in detail, including two separate treatments of variable binding: the nominal package and de Bruijn indices. The work follows Świerczkowski’s a detailed proof, using hereditarily finite set theory.

The machine proofs are fairly readable, thanks to the structured Isar proof language, and concise at under 14,000 lines for both theorems. The paper presents highlights of the proof, commenting on the advantages and disadvantages of the nominal framework and HF set theory. The proof reported here closely follows a detailed exposition by Świerczkowski. His careful and detailed proofs were indispensable, but significant deviations proved to be necessary. For the first time, we have complete, formal proofs of both theorems. They take the form of structured Isar proof scripts that can be examined interactively.

The total proof length of 14000 lines comprises 5000 lines for the second theorem and 9000 lines for the first. (One could also include 3000 lines for HF set theory itself, but then we may as well also count the standard libraries of natural numbers.)

This project took approximately one year, in time left available after fulfilling a Professor’s usual teaching and administrative duties. The underlying set theory took only two weeks to formalise. The Gödel development up to the proof formalisation condition took another five months. From there to the first incompleteness theorem took a further two months, mostly devoted to proving single valued properties. Then the second incompleteness theorem took a further four months, including much time wasted due to misunderstanding this perplexing material.

ProofWiki y la verificación de las demostraciones matemáticas

ProofWiki es un compendio de demostraciones matemáticas escritas de manera colaborativa en una wiki. Su objetivo es colecionar y clasificar demostraciones de teoremas matemáticos.

El proyecto empezó en marzo de 2008 y actualmente incluye 2.804 demostraciones escritas por sus 297 usuarios. Las demostraciones se encuentran clasificadas en 34 categorías. Una de las categorías particularmente interesante es la de teoremas con nombres en la que aparecen 247 teoremas. También es interesante la página de los teoremas más populares según el número de visitas.

ProofWiki podría servir de base para otro proyecto cuyo objetivo final fuese la verificación formal de las demostraciones matemáticas. Para ello se podría crear una wiki y, de forma colaborativa, escribir las verificaciones de las demostraciones de ProofWiki usando los distintos sistemas de razonamiento asistido por ordenador (como Isabelle/HOL/Isar, PVS, ACL2, Coq, HOL, HOL Light o Mizar).

Formalizaciones en PVS y el problema de las versiones

En la wiki del Grupo de Lógica Computacional se han publicados las formalizaciones en PVS 4.2 de las siguientes teorías:

La adaptación la ha realizado María J. Hidalgo a partir de la versión de PVS 3.2. El proceso de adaptación ha sido complejo por las diferencias existentes entre ambas versiones de PVS. Los principales problemas que han aparecido son los siguientes:

  • Diferencia en el tratamiento de los juicios entre teorías situadas en distintos directorios y cargadas como extensiones del preludio.
  • Diferencia en las opciones por defecto en estrategias predefinidas.
  • Diferencia en el número de obligaciones de pruebas generadas.

Además, el problema de la compatibilidad entre las distintas versiones de los sistemas de razonamiento dificulta la reutilización de las teoría formalizadas. En concreto, en algunas teorías que hemos desarrollado se han usado teorías desarrolladas por otros como, por ejemplo, la teoría sobre puntos fijos de F. Bartels, A. Dold, F.W. v. Henke, H. Pfeifer y H. Rueß que está desarrollada en la versión 2.4 de PVS, no se ha adaptado a las siguientes versiones y no es adecuada para la versión actual de PVS.

Los principales teoremas del siglo XX y su formalización

Como comentaba en la entrada anterior, un gran reto para el razonamiento formalizado podría consistir en la formalización de los principales teoremas del siglo XX.

Este reto es análogo a Formalizing 100 Theorems que consiste en la formalización de los 100 principales teoremas de todos los tiempos.

El punto de partida ha de ser la determinación de cuáles son los principales teoremas del siglo XX y en qué punto se encuentra su formalización.

Algunos candidadatos de la lista de los principales teoremas del siglo XX son
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Demostración de propiedades de los indefinibles

Gustavo Piñeiro es un matemático argentino autor, junto con Guillermo Martínez, del libro Gödel para todos. Además, escribe el blog El topo lógico. En el último artículo en su blog (Paradojas del infinito (I)) trata de los números definibles e indefinibles, entendiendo que un número es definible si existe una propiedad expresada mediante una frase en castellano tal que sólo la verifica dicho número.

La existencia de los números definibles se demuestra mostrando algunos de dichos números (por ejemplo, el número 0 es el cardinal del conjunto de los elementos x tales que x es distinto de x). La existencia de los números indefinibles se sigue de que el conjunto de los números definibles es numerable y el conjunto de los números reales es infinito no numerable.

A pesar de haber un conjunto no numerable de números indefinibles, no podemos definir ninguno de ellos. Sin embargo, se puede demostrar que tienen algunas propiedades. Por ejemplo, la suma de un número definible y otro indefinible es un número indefinible.

Sería interesante ver la formalización de estas propiedades en los sistemas de razonamiento usados en nuestro grupo.