2.15

(a)
\(T \vdash \bot \to \varphi\) なので \({\sf PA} \vdash \neg {\rm Con} \to {\rm Pr}(\varphi)\) であり,\({\sf PA} \vdash \neg {\rm Pr}(\varphi) \to {\rm Con}\) である. \(\varphi\) の取り方より \({\sf PA} \vdash \varphi \to {\rm Con}\) となる.

Theorem 4(a) より \({\sf PA} \vdash {\rm Con} \to \varphi\) なので \({\sf PA} \vdash \varphi \leftrightarrow {\rm Con}\) を得る.

したがって \({\sf PA} \vdash {\rm Pr}(\varphi) \leftrightarrow {\rm Pr}({\rm Con})\),つまり \({\sf PA} \vdash \neg {\rm Pr}(\varphi) \leftrightarrow \neg {\rm Pr}({\rm Con})\) である. \(\varphi\) の取り方より \({\sf PA} \vdash \varphi \leftrightarrow \neg {\rm Pr}({\rm Con})\) となる. \({\sf PA} \vdash \varphi \leftrightarrow {\rm Con}\) なので \({\sf PA} \vdash {\rm Con} \leftrightarrow \neg {\rm Pr}({\rm Con})\) がいえた.


(b)
\({\sf PA} \vdash \varphi \leftrightarrow (\neg \varphi \to \varphi)\) であるが,\({\sf PA} \vdash \neg \varphi \leftrightarrow {\rm Pr}(\varphi)\) なので,\({\sf PA} \vdash \varphi \leftrightarrow ({\rm Pr}(\varphi) \to \varphi)\) を得る. したがって \({\sf PA} \vdash \varphi \leftrightarrow \theta\) である. また \({\sf PA} \vdash {\rm Pr}(\varphi) \leftrightarrow {\rm Pr}(\theta)\) なので,\({\sf PA} \vdash \theta \leftrightarrow ({\rm Pr}(\theta) \to \varphi)\) が成り立つ.


コメント

(a) において \({\sf PA} \vdash \varphi \leftrightarrow {\rm Con}\) から \({\sf PA} \vdash {\rm Con} \leftrightarrow \neg {\rm Pr}({\rm Con})\) を導くのには \(T \vdash {\sf PA}\) がいる.

(b) では \(\varphi\) として \(\Pi_1\) Gödel 文をとったが,実は任意の文 \(\varphi\) についても成り立つ. 任意の \(\varphi\) に対して \(\theta : = {\rm Pr}(\varphi) \to \varphi\) と定めれば,\({\sf PA} \vdash \varphi \to \theta\) が明らかに成り立つために \({\sf PA} \vdash {\rm Pr}(\varphi) \to {\rm Pr}(\theta)\) である. また p. 32 (L2) より \({\sf PA} \vdash {\rm Pr}(\theta) \to {\rm Pr}(\varphi)\) なので,\({\sf PA} \vdash {\rm Pr}(\varphi) \leftrightarrow {\rm Pr}(\theta)\) が成り立つ. よって

\begin{align*} {\sf PA} \vdash \theta & \leftrightarrow ({\rm Pr}(\varphi) \to \varphi) \\ & \leftrightarrow ({\rm Pr}(\theta) \to \varphi) \end{align*}

となる.