Modal logics, originally conceived in philosophy, have recently found many applications in computer science, artificial intelligence, the foundations of mathematics, linguistics and other disciplines. Celebrated for their good computational behaviour, modal logics are used as effective formalisms for talking about time, space, knowledge, beliefs, actions, obligations, provability, etc. However, the nice computational properties can drastically change if we combine some of these formalisms into a many-dimensional system, say, to reason about knowledge bases developing in time or moving objects.
To study the computational behaviour of many-dimensional modal logics is the main aim of this book. On the one hand, it is concerned with providing a solid mathematical foundation for this discipline, while on the other hand, it shows that many seemingly different applied many-dimensional systems (e.g., multi-agent systems, description logics with epistemic, temporal and dynamic operators, spatio-temporal logics, etc.) fit in perfectly with this theoretical framework, and so their computational behaviour can be analyzed using the developed machinery.
We start with concrete examples of applied one- and many-dimensional modal logics such as temporal, epistemic, dynamic, description, spatial logics, and various combinations of these. Then we develop a mathematical theory for handling a spectrum of 'abstract' combinations of modal logics - fusions and products of modal logics, fragments of first-order modal and temporal logics - focusing on three major problems: decidability, axiomatizability, and computational complexity. Besides the standard methods of modal logic, the technical toolkit includes the method of quasimodels, mosaics, tilings, reductions to monadic second-order logic, algebraic logic techniques. Finally, we apply the developed machinery and obtained results to three case studies from the field of knowledge representation and reasoning: temporal epistemic logics for reasoning about multi-agent systems, modalized description logics for dynamic ontologies, and spatio-temporal logics.
The genre of the book can be defined as a research monograph. It brings the reader to the front line of current research in the field by showing both recent achievements and directions of future investigations (in particular, multiple open problems). On the other hand, well-known results from modal and first-order logic are formulated without proofs and supplied with references to accessible sources.
The intended audience of this book is logicians as well as those researchers who use logic in computer science and artificial intelligence. More specific application areas are, e.g., knowledge representation and reasoning, in particular, terminological, temporal and spatial reasoning, or reasoning about agents. And we also believe that researchers from certain other disciplines, say, temporal and spatial databases or geographical information systems, will benefit from this book as well.
Key Features:
• Integrated approach to modern modal and temporal logics and their applications in artificial intelligence and computer science
• Written by internationally leading researchers in the field of pure and applied logic
• Combines mathematical theory of modal logic and applications in artificial intelligence and computer science
• Numerous open problems for further research
• Well illustrated with pictures and tables
Audience
Logicians. Logicians in Computer Science (reseachers and students). Researchers and students in knowledge representation and reasoning.
Contents
I Introduction
1 Modal logic basics
1.1 Modal axiomatic systems
1.2 Possible world semantics
1.3 Classical first-order logic and the standard translation
1.4 Multimodal logics
1.5 Algebraic semantics
1.6 Decision, complexity and axiomatizability problems
2 Applied modal logic
2.1 Temporal logic
2.2 Interval temporal logic
2.3 Epistemic logic
2.4 Dynamic logic
2.5 Description logic
2.6 Spatial logic
2.7 Intuitionistic logic
2.8 'Model level' reductions between logics
3 Many-dimensional modal logics
3.1 Fusions
3.2 Spatio-temporal logics
3.3 Products
3.4 Temporal epistemic logics
3.5 Classical first-order logic as a propositional multimodal logic
3.6 First-order modal logics
3.7 First-order temporal logics
3.8 Description logics with modal operators
3.9 HS as a two-dimensional logic
3.10 Modal transition logics
3.11 Intuitionistic modal logics
II Fusions and products
4 Fusions of modal logics
4.1 Preserving Kripke completeness and the finite model property
4.2 Algebraic preliminaries
4.3 Preserving decidability of global consequence
4.4 Preserving decidability
4.5 Preserving interpolation
4.6 On the computational complexity of fusions
5 Products of modal logics: introduction
5.1 Axiomatizing products
5.2 Proving decidability with quasimodels
5.3 The finite model property
5.4 Proving undecidability
5.5 Proving complexity with tilings
6 Decidable products
6.1 Warming up: Kn x Km
6.2 CPDL x K_m
6.3 Products of epistemic logics with Km
6.4 Products of temporal logics with Km
6.5 Products with S5
6.6 Products with multimodal S5
7 Undecidable products
7.1 Products of linear orders with infinite ascending chains
7.2 Products of linear orders with infinite descending chains
7.3 Products of Dedekind complete linear orders
7.4 Products of finite linear orders
7.5 More undecidable products
8 Higher-dimensional products
8.1 S5 x S5 x ... x S5
8.2 Products between K4 x K4 x ... x K4 and S5 x S5 x ... x S5
8.3 Products with the fmp
8.4 Between K x K x ... x K and S5 x S5 x ... x S5
8.5 Finitely axiomatizable and decidable products
9 Variations on products
9.1 Relativized products
9.2 Valuation restrictions
10 Intuitionistic modal logics
10.1 Intuitionistic modal logics with Box
10.2 Intuitionistic modal logics with Box and Diamond
10.3 The finite model property
III First-order modal logics
11 Fragments of first-order temporal logics
11.1 Undecidable fragments
11.2 Monodic formulas, decidable fragments
11.3 Embedding into monadic second-order theories
11.4 Complexity of decidable fragments of QLogSU(N)
11.5 Satisfiability in models over (N,<) with finite domains
11.6 Satisfiability in models over (R,<) with finite domains
11.7 Axiomatizing monodic fragments
11.8 Monodicity and equality
12 Fragments of first-order dynamic and epistemic logics
12.1 Decision problems
12.2 Axiomatizing monodic fragments
IV Applications to knowledge representation
13 Temporal epistemic logics
13.1 Synchronous systems
13.2 Agents who know the time and neither forget nor learn
14 Modal description logics
14.1 Concept satisfiability
14.2 General formula satisfiability
14.3 Restricted formula satisfiability
14.4 Satisfiability in models with finite domains
15 Tableaux for modal description logics
15.1 Tableaux for ALC
15.2 Tableaux for K(ALC) with constant domains
15.3 Adding expressive power to K(ALC)
16 Spatio-temporal logics
16.1 Modal formalisms for spatio-temporal reasoning
16.2 Embedding spatio-temporal logics in first-order temporal logic
16.3 Complexity of spatio-temporal logics
16.4 Models based on Euclidean spaces
Epilogue. Bibliography. List of tables. List of languages and logics. Symbol index. Subject index.
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我是一位对游戏理论和博弈论有着浓厚兴趣的数学系学生。在分析复杂的策略和交互时,我常常发现简单的逻辑工具难以满足需求。博弈论中的一个重要方面是玩家的理性、意图以及对未来行为的预测。这涉及到对不同博弈状态的模态推理,以及对其他玩家信念的建模。我看到“Many-Dimensional Modal Logics: Theory and Applications”这个书名,立刻联想到这些多模态逻辑可能在博弈论分析中发挥的重要作用。我期待书中能够详细介绍如何将博弈论中的核心概念,如策略、信息集、支付函数、均衡等,用多维度的模态逻辑进行形式化描述。例如,如何表示一个玩家对另一个玩家意图的信念,或者如何刻画一个合作博弈中参与者之间的承诺和义务。我特别希望能看到书中提供一些关于如何利用这些逻辑工具来分析和设计复杂博弈的案例,例如,在经济学、政治学、人工智能中的多智能体系统等领域。
评分我是一名对计算理论和可计算性研究充满热情的博士生。在我的研究中,我常常需要分析各种形式化语言的表达能力和计算复杂度。模态逻辑作为一类重要的逻辑系统,在描述和推理各种抽象结构方面具有独特的优势。然而,我接触到的很多模态逻辑研究,似乎都局限于相对简单的模态维度。当我看到“Many-Dimensional Modal Logics”这个书名时,我立刻意识到这是一个能够拓展我视野的新领域。我希望这本书能够系统地介绍各种多维度模态逻辑系统的形式化框架,包括它们的公理化、语义模型以及模型论性质。更重要的是,我期待书中能够对这些系统的计算能力进行深入的分析,例如,它们的模型检查问题、一致性判定问题、可满足性问题等的复杂度如何?是否存在一些通用的方法来研究多维度模态逻辑的计算复杂性?如果书中能提供关于这些复杂性类别的划分和刻画,以及一些关于如何设计高效算法的技巧,那将对我理解不同逻辑系统的计算边界大有裨益。
评分我是一位在软件工程领域工作的从业者,尤其关注程序的规范、验证和分析。在实际的软件开发过程中,我们经常需要处理复杂的时间约束、并发执行、资源共享以及不同模块之间的相互依赖关系。传统的程序分析方法,虽然已经取得了一定的进展,但在处理这些复杂场景时,仍然存在一定的局限性。模态逻辑,尤其是那些能够表达时态和程序执行语义的模态逻辑,为程序验证提供了强大的理论支持。而“多维度”这个概念,让我看到了解决更复杂软件问题的可能性。我希望这本书能够详细阐述如何利用多维度的模态逻辑来对复杂的软件系统进行建模,例如,如何同时考虑程序的执行路径、不同时间点上系统的状态、以及多线程之间的交互。书中是否会提供一些具体的建模技术和分析工具,能够帮助我们形式化地描述软件系统的行为,并进行自动化的验证?我特别关注书中关于“应用”的部分,希望能看到一些实际的软件工程问题是如何通过多维度模态逻辑得到有效解决的案例,例如,在并发控制、分布式系统验证、安全协议分析等领域。
评分这本书的封面设计着实引人注目,简洁却不失学术的严谨感,深邃的蓝色基调搭配着抽象的几何图形,似乎预示着书中将要探索的复杂而多维度的概念。我是一名刚刚接触模态逻辑领域的研究生,选择这本书作为我的入门读物,很大程度上是出于对其“多维度”这一概念的好奇。在初步浏览其目录时,我被里面提到的各种模态算子、逻辑系统以及它们在不同领域的应用所吸引,例如人工智能、哲学和计算机科学。我知道模态逻辑本身就是一个庞大而精深的学科,而“多维度”更是将其复杂度推向了一个新的高度。我期待这本书能够循序渐进地引导我理解,如何从基础的模态逻辑概念出发,逐步构建起多维度的逻辑框架,并且能够清晰地解释这些抽象概念在现实世界中的具体应用。我特别关注书中关于“理论”部分的阐述,希望能够深入理解各种逻辑系统的公理化、完备性证明以及模型论的性质,这些是构建坚实理论基础的关键。同时,“应用”部分也让我充满期待,究竟哪些实际问题能够通过多维度的模态逻辑得到有效的建模和解决?我希望书中能提供丰富的案例分析,让我能够将理论知识与实践联系起来,真正体会到这门学科的魅力和价值。
评分作为一名理论语言学家,我一直致力于研究语言的意义和推理机制。我对形式语义学和逻辑哲学有着浓厚的兴趣。在语言的理解过程中,我们常常需要处理诸如假设、条件句、反事实以及模态词(如“可能”、“必然”、“应该”)等复杂的语义现象。传统的模态逻辑,特别是卡尔纳普的可能世界语义,为理解这些现象提供了基础。然而,语言的模态性远不止于此,它还涉及到多种交织的维度,例如,时间、空间、视角、语境等。因此,这本书的书名“Many-Dimensional Modal Logics”立刻引起了我的注意。我希望书中能够深入探讨如何利用多维度的模态逻辑来捕捉语言中更为丰富和复杂的模态现象。例如,如何形式化地表示一个句子在不同时间点、不同空间位置、不同说话人视角下的意义?如何解释反事实条件句的真值条件?我期待书中能够提供一些具体的语言学案例分析,展示多维度模态逻辑在精确刻画自然语言语义方面的强大能力,并探索其在计算语言学、自然语言处理等领域的应用潜力。
评分作为一名在计算机科学领域深耕多年的研究者,我对形式化方法和逻辑工具的应用一直抱有浓厚的兴趣。在我的研究方向中,如何有效地表示和推理不确定性、时态性以及知识的动态变化,是我一直面临的挑战。市面上关于模态逻辑的书籍并不少见,但“多维度”这一提词,立刻勾起了我深入了解的兴趣。我猜想,这本书可能不仅仅局限于传统的单模态或双模态逻辑,而是将视角拓展到了更高维度,例如结合了时间、空间、信念、义务等多种模态的复合逻辑系统。我期望书中能够详细阐述这些多模态系统的形式化定义,包括其句法、语义以及推理规则。更重要的是,我希望它能提供一些关于如何构建和分析这些复杂逻辑系统的通用方法论,这对于我自己在实际问题中应用这些工具至关重要。例如,在软件验证领域,我们经常需要同时考虑程序的执行时间、并发性以及不同进程之间的信息交互,这恰好是多维度模态逻辑大显身手的舞台。如果书中能够提供相关的技术细节和算法,那就更好了。此外,我对书中可能提及的计算复杂性问题也颇感兴趣,毕竟一个逻辑系统的实用性很大程度上取决于其推理的效率。
评分我是一名对认知科学和心理学交叉领域感兴趣的研究者。我一直对人类的认知过程,尤其是关于信念、推理、意图和决策的建模非常着迷。传统的逻辑系统在描述这些心理现象时,往往显得过于简化。例如,人类的信念系统通常是动态变化的,并且会受到环境信息的影响。同时,个体的意图和目标也直接影响着他们的行为。我猜测,“Many-Dimensional Modal Logics”这本书能够提供一个更具表现力的框架来捕捉这些复杂的认知过程。我期待书中能够介绍如何将心理学中关于信念、意图、知识、欲望、决策等概念,用多维度的模态逻辑进行形式化表达。例如,如何表示一个主体在不同情境下的不同信念,或者如何建模一个主体为了达成某个目标而产生的系列意图。我希望书中能探讨这些逻辑模型在解释和预测人类行为方面的潜力,并提供相关的理论支持和潜在的应用方向,例如在构建更智能的交互式AI助手、开发更有效的教育软件等方面。
评分作为一名数学逻辑领域的早期研究者,我一直关注着逻辑系统的表达能力和计算复杂性。模态逻辑作为一类具有重要理论和应用价值的逻辑系统,其研究已经取得了丰硕的成果。然而,我一直在思考,如何进一步拓展模态逻辑的表达能力,使其能够处理更复杂、更具现实意义的问题。当我在文献中看到“Many-Dimensional Modal Logics”这个书名时,我深感这正是对这一方向的有力探索。我期待这本书能够系统地阐述多维度模态逻辑的理论基础,包括其句法、语义、公理化系统以及完备性证明。我特别关注书中关于如何组合和扩展现有的模态逻辑框架,以引入新的模态维度,并研究由此产生的逻辑系统的性质。此外,我也非常期待书中能够深入探讨多维度模态逻辑的计算复杂性,例如,模型检查、可满足性判定等问题的复杂度类别,以及是否存在一些通用的算法和技术来分析这些系统的计算能力。如果书中能提供一些关于如何将这些理论成果应用于实际问题的实例,那就更具启发意义了。
评分我是一位对哲学逻辑有浓厚兴趣的本科生,一直对可能世界、必然性、偶然性等概念着迷。模态逻辑正是探索这些概念的强大工具。然而,我常常觉得传统的模态逻辑在处理一些更为复杂的哲学语境时显得力不从心。例如,在讨论知识和信念时,一个主体可能同时拥有关于不同世界的信息,或者其信念会随着时间的推移而改变。这时,单一的模态算子似乎不足以捕捉这种丰富性。“Many-Dimensional Modal Logics: Theory and Applications”这个书名,立刻让我联想到了能够捕捉这种多层次、多角度的模态推理的逻辑系统。我非常期待这本书能够提供一个更具表现力的逻辑框架,能够将不同的模态属性(如知识、信念、时间、空间、义务、许可等)整合起来,形成一个统一的理论体系。我希望能通过这本书,理解如何构建具有多种模态的逻辑语言,以及如何为这些语言赋予丰富的语义解释。尤其想了解,当模态维度增加时,逻辑系统的表达能力和推理能力会发生怎样的变化,以及是否存在一些新的、有趣的逻辑现象。
评分作为一名研究人工智能的学者,我对如何让机器具备更强的推理能力和更深刻的理解力有着不懈的追求。在人工智能的诸多分支中,知识表示和推理是核心问题之一。传统的逻辑系统,如一阶逻辑,在处理涉及不确定性、动态性以及多主体交互等问题时,往往显得不够灵活。模态逻辑,特别是其能够表达可能性、必然性、知识、信念等概念的特性,为人工智能研究提供了重要的理论基础。而“多维度”这一概念,更是让我看到了解决更复杂AI问题的曙光。我猜想,这本书可能深入探讨了如何将不同的模态(如时间、空间、因果、意图、情感等)整合到逻辑系统中,从而构建出能够更全面地描述和推理现实世界的AI模型。我非常期待书中能够提供关于如何设计和实现这些多维度模态逻辑系统的具体方法,例如,如何定义这些复合模态算子的语义,如何设计高效的推理算法,以及如何将这些逻辑系统应用于具体的AI任务,如智能体规划、对话系统、机器人控制等。如果书中能有相关的实证研究和案例分析,那就更具启发意义了。
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