Введение

Американский математик

Леон Альберт Хенкин (19 апреля 1921, Бруклин, Нью-Йорк – 1 ноября 2006, Окленд, Калифорния) – американский логик, чьи работы сыграли значительную роль в развитии логики, особенно в теории типов. Он был активным научным сотрудником Калифорнийского университета в Беркли, где внес большой вклад как исследователь, преподаватель и на административных должностях. В этом университете он совместно с Альфредом Тарски руководил Группой по логике и методологии науки, из которой вышли многие выдающиеся логики и философы. Он проявлял активную гражданскую позицию и был страстным защитником своих пацифистских и прогрессивных взглядов. Хенкин наиболее известен своими доказательствами полноты различных формальных систем, таких как теория типов и логика первого порядка (полнота последней, в её слабой форме, была доказана Куртом Гёделем в 1929 году). Для доказательства полноты теории типов Хенкин ввёл новую семантику, не эквивалентную стандартной, основанную на структурах, называемых общими моделями (также известными как модели Хенкина). Предложенное им изменение семантики позволило создать полное дедуктивное исчисление для теории типов и логики второго порядка, среди прочих логик. Методы Хенкина способствовали доказательству различных результатов в теории моделей, как в классической, так и в неклассической логике. Помимо логики, важной областью его исследований была алгебра, в частности, цилиндрические алгебры, над которыми он работал вместе с Тарски и Дональдом Монком. В области философии математики, хотя работ, в которых он непосредственно рассматривает её, немного, его можно считать сторонником номинализма.

Детство и юность

Леон Альберт Хенкин родился 19 апреля 1921 года в Бруклине, штат Нью-Йорк, в еврейской семье, эмигрировавшей из России поколением ранее. Первым из семьи эмигрировал Авраам Хенкин, старший брат отца Леона. Отец им гордился с самого детства. Его высокие ожидания проявились в имени, которое он дал сыну: он решил назвать его Альбертом в честь серии статей о теории относительности Эйнштейна, опубликованных в New York Times незадолго до рождения Хенкина. Его семья симпатизировала пацифистским и прогрессивным идеям, и хотя он сам не был религиозен, он сохранил глубокие еврейские традиции. Леон вырос в атмосфере крепких семейных связей, был очень близок со своими кузенами, с которыми жил в детстве в Бруклине. Несмотря на посвящение себя университетской научной деятельности, он не отказывался от интереса к преподаванию элементарной математики, в которую позже активно включился.

Первые университетские исследования

В 1937 году Леон поступил в Колумбийский университет на математическое отделение. Именно в это время у него возник интерес к логике, который и определил направление его научной карьеры. Его знакомство с логикой началось с книги Б. Рассела «Мистицизм и математика», привлекшей его внимание во время посещения библиотеки. Этот интерес был углублен и развит благодаря некоторым курсам. Хотя на математическом факультете университета не преподавали логику (эти курсы были на философском факультете), Леон был одним из немногих студентов-математиков, проявлявших интерес к этой дисциплине, и он решил посещать их. Это чтение имело большое значение для Хенкина, не столько само по себе, сколько тем, что он осознал свою способность понимать современные исследования в области логики и математики. Одна из таких лекций проходила в Колумбийском университете, и Хенкин, как и другие студенты, изучающие логику, посещал ее с большим энтузиазмом. На ней Тарский рассказывал о работе Гёделя над неразрешимыми утверждениями в теории типов и о существовании алгоритмов решения для формальных систем – тема, которая чрезвычайно стимулировала Хенкина. Спустя много лет Хенкин написал статью «Открытие моих доказательств полноты». Когда требование о присяге было отменено, Хенкин принял предложение Тарски и обосновался в Беркли в 1953 году.

Его жизнь в Беркли

С 1953 года основная часть научной деятельности Хенкина была сосредоточена в Беркли, где он сотрудничал с сильной исследовательской группой в области логики. Он оставался там практически всю свою научную жизнь, за исключением периодов, когда он путешествовал за границу по стипендиям и грантам различных институтов, например, год, проведенный в Амстердаме, или год в Израиле по исследовательским грантам Фульбрайта (в 1954 и 1979 годах соответственно). Хенкин всегда был благодарен Тарскому, поскольку именно благодаря ему он смог обосноваться в Беркли. После смерти Тарски в 1983 году он написал в личном письме: «Я пишу, чтобы сообщить вам, что Альфред Тарски, приехавший в Беркли в 1942 году и основавший наш замечательный Центр по изучению логики и основ, скончался в среду вечером в возрасте 82 лет. Именно он пригласил меня в Беркли в 1953 году, поэтому я многим ему обязан как лично, так и в научном плане».

Тарски не только предложил Хенкину работу, но и предоставил ему очень плодотворную междисциплинарную среду для развития логики. Тарски основал Центр по изучению логики и основ в Беркли, но с помощью Хенкина ему удалось собрать группу логиков, математиков и философов, которые сформировали Группу по логике и методологии науки. В рамках этого проекта была создана междисциплинарная аспирантура, завершающаяся получением докторской степени. Тарски и Хенкин укрепили проект, организовав важные конгрессы и конференции по логике, следуя концепции Тарски о «логике как общей основе для всего человеческого знания». Иногда Хенкин посещал школы своих детей, чтобы поговорить с учениками начальных классов о математике, рассказывая им об «отрицательных числах» или «о том, как вычитать, прибавляя». Примерно в то время (около 1960 года) Хенкин начал чередовать свои научные исследования в математике с исследованиями в области преподавания математики, причем последние становились все более частыми. Одной из фраз, которая лучше всего отражает чувства, выраженные в различных отзывах его учеников, является высказывание Дугласа Хофштадтера: «Мне очень повезло быть его аспирантом, поскольку я узнал от него гораздо больше, чем просто логику. Именно его человечность покорила мое сердце. Я всегда стремлюсь быть не менее добрым к своим студентам и не менее заинтересованным в их профессиональном росте после окончания учебы, чем он был ко мне».

Алгебра

Работа Хенкина в области алгебры была сосредоточена на цилиндрических алгебрах, предмет, который он исследовал совместно с Альфредом Тарским и Дональдом Монком. Цилиндрические алгебры предоставляют структуры, которые по отношению к логике первого порядка являются тем же, чем булева алгебра по отношению к пропозициональной логике. Одной из целей Хенкина и Тарски в продвижении алгебраической логики было привлечение интереса математиков к логике, поскольку они были убеждены, что логика может предоставить объединяющие принципы для математики: согласно Монку, в 1950 году. Оба представили часть результатов, изложенных в диссертации «О полноте формальных систем», за которую Хенкин получил степень доктора философии в Принстоне в 1947 году. Одним из наиболее известных результатов Хенкина является теорема о полноте логики первого порядка, опубликованная в вышеупомянутой статье 1949 года, которая представлена как первая теорема в диссертации 1947 года. Она формулируется следующим образом: любое множество предложений, формально непротиворечивых в дедуктивной системе, выполнимо в счетной структуре. Эта теорема в настоящее время называется «теоремой о полноте», поскольку из нее легко следует следующее: если является множеством предложений, а является семантическим следствием , то выводится из . Это сильная версия теоремы о полноте, из которой слабая версия вытекает как следствие. Последняя формулирует результат для частного случая, когда множество пусто, то есть дедуктивный анализ логики первого порядка способен вывести все валидные формулы. Слабая версия, известная как теорема о полноте Гёделя, была доказана Гёделем в 1929 году в его докторской диссертации. Доказательство Хенкина более общее, более доступное, чем доказательство Гёделя, и легче обобщается на языки любой кардинальности. Оно подходит к полноте с новой и плодотворной точки зрения, и, возможно, его главное достоинство заключается в том, что его доказательство можно легко адаптировать для доказательства полноты других дедуктивных систем. Другие результаты, имеющие центральное значение для теории моделей, получаются как следствия сильной полноты логики первого порядка, доказанной Хенкином. Из нее, например, следует следующий результат для языка первого порядка: любое множество хорошо сформированных формул, выполнимых в -структуре, выполнимо в бесконечной счетной структуре. Этот результат известен как теорема Лёвенхайма-Сколема «вниз». Другим результатом, полученным из теоремы о полноте, является следующее: множество хорошо сформированных формул имеет модель тогда и только тогда, когда каждое его конечное подмножество имеет модель. Последняя известна как «теорема о компактности» логики первого порядка, которую также можно сформулировать так: «Любое множество хорошо сформированных формул, которое является конечно выполнимым, выполнимо». То есть, если для каждого конечного подмножества существует структура, в которой все его формулы истинны, то существует также структура, в которой истинны все формулы . Она известна как «теорема о компактности», поскольку она соответствует компактности определенного топологического пространства, определенного на основе семантических понятий. Среди других теорем о полноте, данных Хенкином, наиболее значимой, пожалуй, является теорема о полноте теории типов Черча, которая является первой из теорем о полноте, доказанных Хенкином. Затем он адаптировал метод, разработанный в этом доказательстве, для доказательства полноты других дедуктивных систем. Этот метод продолжает использоваться для доказательства полноты как в классической, так и в неклассической логике и стал стандартным доказательством полноты логики первого порядка в учебниках по логике. Когда Хенкин опубликовал этот результат в 1949 году, полнота еще не входила в число канонических тем, рассматриваемых в учебниках; примерно через двадцать лет эта теорема, вместе с ее доказательством и следствиями, вошла в состав практически каждого учебника по логике. Что касается неклассических логик, метод Хенкина может использоваться, в частности, для расширения полноты нечеткой логики от логики первого порядка до логики высших порядков, создавая полную теорию нечетких типов; он также предлагает способ получения результатов, связывающих классическую логику с интуиционистской логикой; и он позволяет проверять результаты о полноте в других неклассических логиках, как, например, в случае гибридной теории типов и уравнительной гибридной пропозициональной теории типов.

Открытие теорем полноты

Несмотря на то, что это один из его самых известных результатов, Хенкин пришел к доказательству полноты логики первого порядка "случайно", пытаясь доказать совершенно другой результат. Однако Хенкин упрощает сложную задачу прослеживания развития и формирования своих идей в своей статье "Открытие моих доказательств полноты". В конце войны Хенкин вернулся в Принстон, чтобы завершить докторские исследования, для которых ему все еще требовалось написать диссертацию, содержащую оригинальное исследование. Как только он прибыл в Принстон, он посетил курс Черча по логике, который начался за месяц до этого и был посвящен теории Фреге о "смысле и обозначаемом". Вдохновленный идеями Фреге, Черч хотел реализовать их в формальной аксиоматической теории. Для этого он взял простую теорию типов, опубликованную им несколько лет назад, и снабдил ее иерархией типов, вдохновленной идеей "смысла", изложенной Фреге. Именно на этом курсе Хенкин познакомился с теорией типов Черча, которая вызвала у него большой интерес. Он сразу же выдвинул гипотезу относительно нее, доказательство которой, как он надеялся, могло стать его докторской диссертацией. Одним из аспектов, привлекших внимание Хенкина к теории типов Черча, было то, что оператор позволял именовать множество объектов в иерархии типов. Как он объясняет в "Открытии моих доказательств полноты", он поставил перед собой задачу выяснить, какие элементы имеют имена в этой теории. Он начал с изучения элементов, которые были названы в двух областях, лежащих в основе иерархии типов. Он взял в качестве вселенной индивидов и добавил константу для каждого числа и функции следования, так что каждый элемент в этой области был назван от и повторений . Поднимаясь по иерархии, он пытался определить, какие функции над этими элементами можно было назвать. Их было несчетно много, поэтому некоторые из них не имели имен, поскольку существует лишь счетное количество выражений. Как определить, какие элементы можно было назвать? Чтобы каждое выражение соответствовало обозначаемому им элементу, ему требовалась функция выбора, на поиск которой Хенкин потратил много усилий. В конце концов, он понял, что с помощью дедуктивного исчисления он может сформировать классы эквивалентности выражений, равенство которых может быть выведено в исчислении, и построить с этими классами модель, изоморфную новой иерархии типов, сформированной именованными элементами. Он сосредоточился на интерпретациях формального языка, тогда как ключ к решению проблемы лежал в дедуктивной системе. Оставалось сделать вселенную объектов, называемых предложениями, множеством из двух элементов: истинных значений. Этого можно было достичь, расширив аксиомы, чтобы сформировать максимально непротиворечивый набор. Как только это было достигнуто, можно было доказать, что каждый непротиворечивый набор формул имеет модель, удовлетворяющую ровно формулам этого набора – элементы такой модели являются классами эквивалентности самих выражений. То есть, ему удалось бы дать доказательство полноты дедуктивного исчисления. Полученная семантика известна как общая семантика. В ней структуры, допустимые в качестве моделей, называются "общими моделями". Их можно использовать не только в теории типов, но и, например, для получения полных (и компактных) логик высшего порядка. Получение полных логик высшего порядка с использованием общей семантики обеспечивает ожидаемый баланс между выразительной силой логики и мощностью ее дедуктивного исчисления. В логике второго порядка со стандартной семантикой известно, что квантификация над предикативными переменными придает языку огромную выразительную силу, но взамен теряется мощность дедуктивного исчисления: последнего недостаточно для получения обширного множества действительных формул этой логики (со стандартной семантикой). Изменение исчисления ничего не дает, поскольку теорема о неполноте Гёделя гарантирует, что никакое дедуктивное исчисление не может достичь полноты. Напротив, изменяя семантику, то есть изменяя множества, формирующие вселенные, в которых интерпретируются предикативные переменные и константы, логика оказывается полной, ценой потери выразительной способности. В логике второго порядка множество действительных формул настолько велико, потому что понятие стандартной структуры слишком ограничительно, и их недостаточно для нахождения моделей, опровергающих формулы. Ослабляя условия, которые мы предъявляем к структурам, на которых интерпретируется язык, появляется больше моделей, в которых формулы должны быть истинными, чтобы быть действительными, и, следовательно, множество действительных формул уменьшается; это происходит таким образом, что оно совпадает с множеством, порождаемым дедуктивным исчислением, что приводит к полноте.

К переводу между логиками

Одной из областей, в которой основы, заложенные в работе Хенкина, оказались плодотворными, является поиск логики, служащей общей основой для перевода между логиками. Эта основа призвана использоваться как металогический инструмент; её цель – не выбор "единственной логики" в ущерб другим, что подавило бы богатство, заключенное в их разнообразии, а обеспечение адекватного контекста для их сопоставления, понимания и, таким образом, наилучшего использования достоинств каждой из них. "Полнота в теории типов" и "Исключение правила подстановки для функциональных переменных".

Математическая индукция

Тема математической индукции часто поднималась в преподавательской деятельности Хенкина. Вероятно, его опыт в этой области был связан с его статьей «О математической индукции». Эта статья была любимой у Хенкина, и он даже писал, что считает её своей лучшей научно-популярной работой. В ней он определил модели Пеано как те, что удовлетворяют трем аксиомам второго порядка Пеано, а модели индукции – как те, что удовлетворяют третьей из них: аксиоме индукции. Он показал, что хотя все рекурсивные операции можно ввести в моделях Пеано, это не так в моделях индукции. В частности, существуют модели индукции, в которых операция возведения в степень не может быть определена. Он написал эту статью в ответ на две работы по номинализму. По словам одного из его учеников, «частью его таланта было элегантное изложение математики, но он также прикладывал усилия, чтобы вовлечь аудиторию в выдвижение гипотез, предвидение следующего шага или в удивление от него. Он, безусловно, вызывал интерес у слушателей». Одним из аспектов его лекций, которому он уделял особое внимание, был выбор подходящего темпа, постоянно сталкиваясь с дилеммой, как найти оптимальную скорость обучения. Он считал важным, чтобы студенты могли следить за ритмом занятий, даже если это означало, что некоторым покажется медленно – они могли бы продолжить изучение материала в своем собственном темпе. Помимо курсов и руководства аспирантами, роль Хенкина в подготовке ученых была значительной. Тарски пригласил его в Беркли с четкой целью. Как математик, Хенкин сыграл ключевую роль в проекте Тарски по превращению Беркли в центр развития логики, объединив математиков, логиков и философов. Хенкин помог ему реализовать этот проект, участвуя в создании междисциплинарной группы по логике и методологии науки, успешная работа которой во многом была обусловлена его инициативой. «Новые направления в математике средней школы» или «Роль деятельности и мышления в математическом образовании». С 1979 года он уделял особое внимание этому аспекту своих исследований, за некоторые из которых он получил награды, такие как премия Шовене (1964).

Социальные проекты

На протяжении всей своей жизни Леон Хенкин проявлял глубокую приверженность обществу и часто назывался социальным активистом. Он осознавал, что мы являемся частью истории и контекста вокруг нас, как отмечается в одном из его сочинений: "Волны истории обрушиваются на нашу страну, взбаламучивая наше общество и наши институты. Вскоре мы видим изменения в том, как все мы действуем, включая математику и преподавание. Эти изменения формируются в ручейки и потоки, которые сливаются под разными углами с теми, что возникают в совершенно иных сферах общества, нежели образование, математика или наука. Образуются реки, несущие мощные течения, которые порождают будущие волны истории. Великая депрессия и Вторая мировая война стали фоном моих студенческих лет; Холодная война и движение за гражданские права – той средой, в которой я начал свою карьеру как исследователь-математик, а позже включился в работу по математическому образованию." Хенкин был убежден, что перемены можно достичь через образование, и, верный этой идее, посвятил себя как программам математического образования для начальной школы, так и инициативам, направленным на борьбу с исключенностью. Он проявлял политическую приверженность обществу, отстаивая прогрессивные идеи. Он вдохновил многих своих студентов на участие в математическом образовании. Осознавая вклад, который математики могут внести через преподавание, Хенкин отстаивал ценность педагогической деятельности в академической среде, как он выразил в личном письме: "В нынешнее время, когда наши традиционно подготовленные кандидаты наук по математике сталкиваются с трудностями на рынке труда, мне кажется, что мы, преподаватели, должны особенно искать новые области, где математическое образование может внести существенный вклад в основные цели общества". Ниже приведены некоторые из социальных проектов, которые он создал или в которых участвовал. Фильм был показан в цикле передач "Математика сегодня". В период с 1961 по 1964 год он участвовал в серии курсов для учителей начальной школы, организованных Комитетом по программам бакалавриата в области математики. Примерно в то же время он поддерживал инициативу "Действия по расширению возможностей" (Activities to Broaden Opportunity), которая стремилась предоставить возможности перспективным студентам из числа этнических меньшинств, предлагая им летние курсы и стипендии. Он принимал участие в программе SEED (Special Elementary Education for the Disadvantaged), которая поощряла студентов высших учебных заведений участвовать в обучении в начальной школе, а также в SESAME (Special Excellence in Science and Mathematics Education) – междисциплинарной аспирантской программе, созданной представителями различных естественнонаучных факультетов, целью которой было исследование процессов обучения и преподавания в области науки, техники и математики. В период с 1960 по 1968 год он участвовал в серии конференций в математических школах и принимал участие в разработке нескольких фильмов, созданных Национальным советом учителей математики (NCTM). Эти фильмы были посвящены таким темам, как система целых чисел и система рациональных чисел. Он также участвовал в курсах поддержки для студенток, изучающих математический анализ, и убедил математический факультет разрешить аспирантам получать такую же финансовую поддержку за работу в качестве учителей начальной школы, как и за работу в качестве ассистентов преподавателей в колледже.

Основные изделия Хенкина

Хенкин, Л. (1949). Полнота функционального исчисления первого порядка. Журнал символической логики, 14(3), 159–166. Хенкин, Л. (1950). Полнота в теории типов. Журнал символической логики, 15(2), 81–91. Хенкин, Л. (1953). Отказ от правила подстановки для функциональных переменных. Журнал символической логики, 18(3), 201–208. Хенкин, Л. (1953). Некоторые взаимосвязи между современной алгеброй и математической логикой. Transactions of the American Mathematical Society, 74, 410–427. Хенкин, Л. (1953). Некоторые замечания о номинализме. Журнал символической логики, 18(1), 19–29. Хенкин, Л. (1954). Обобщение понятия ω-консистентности. Журнал символической логики, 19(3), 183–196. Хенкин, Л. (1955). Номиналистическая интерпретация математического языка. Бюллетень Бельгийского математического общества, 7, 137–141. Хенкин, Л. (1955). Теорема о представлении цилиндрических алгебр. В Skolem, Th., Hasenjaeger, G., Kreisel, G., Robinson, A. (ред.) Математическая интерпретация формальных систем, с. 85–97. Хенкин, Л. (1957). Обобщение понятия полноты. Журнал символической логики, 22(1), 1–14. Хенкин, Л. (1960). О математической индукции. The American Mathematical Monthly, 67(4), 323–338. Хенкин, Л. (1961). Математическая индукция. В MAA Film Manual No.1, Математическая ассоциация Америки, Университет Буффало, Нью-Йорк. Хенкин, Л., Тарски, А. (1961). Цилиндрические алгебры. В Dilworth, R. P. (ред.) Теория решеток. Proceedings of Symposia in Pure Mathematics. American Mathematical Society, 2, 83–113. Хенкин, Л., Смит, В. Н., Варино, В. Дж., Уолш, М. Дж. (1962). Восстановление элементарной математики. Macmillan, Нью-Йорк. Хенкин, Л. (1962). Являются ли логика и математика идентичными? Science, vol. 138, 788–794. Хенкин, Л. (1963). Новые направления в математическом образовании в средней школе. В Ritchie, R. W. (ред.) Новые направления в математике, 1–6. Prentice Hall, Нью-Йорк. Хенкин, Л. (1963). Расширение теоремы интерполяции Крейга — Линдона. Журнал символической логики, 28(3), 201–216. Хенкин, Л. (1963). Теория пропозициональных типов. Fundamenta Mathematicae, 52, 323–344. Хенкин, Л. (1971). Математические основания математики. The American Mathematical Monthly, 78(5), 463–487. Хенкин, Л. (1975). Идентичность как логический примитив. Philosophia, 5, 31–45. Хенкин, Л. (1977). Логика равенства. The American Mathematical Monthly, 84(8), 597–612. Хенкин, Л. (1995). Роль действия и мысли в математическом образовании — размышления математика. В Fisher, N. D., Keynes, H. B., Wagreich, Ph. D. (ред.) Изменение культуры: математическое образование в исследовательском сообществе, CBMS Issues in Mathematics Education, vol. 5, с. 3–16. American Mathematical Society in cooperation with Mathematical Association of America, Providence. Хенкин, Л. (1996). Открытие моих доказательств полноты. Bulletin of Symbolic Logic, vol. 2(2), 127–158.

Полученные награды

1964 — Премия Шовене, присуждаемая Американской математической ассоциацией автору выдающейся научно-популярной статьи по математической тематике, написанной членом Ассоциации. 1972 — Премия Лестера Р. Форда — за статью «Математические основы математики», Американский математический ежемесячник, 78 (1971), 463–487. 1990 — Первый лауреат премии Гунга и Ху за выдающийся вклад в развитие математики. 1991 — Berkeley Citation — высшая награда Калифорнийского университета. 2000 — Почетная грамота имени Леона Хенкина — за выдающиеся заслуги, вручаемая преподавателю Калифорнийского университета за "исключительную приверженность развитию образования студентов из недостаточно представленных в академической среде групп".