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Z3 是否支持三值逻辑判断(True/False/Unknown)?

花韻仙語

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发布时间:2026-02-03 13:05:14

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来源于php中文网

原创

Z3 是否支持三值逻辑判断(True/False/Unknown)?

z3 本身不直接支持“未知(unknown)”这一语义意义上的逻辑值,但可通过双重可满足性检查(验证命题及其否定是否均可满足)来推断结论是否必然成立、必然不成立,或无法判定。

在形式化推理中,“True / False / Unknown”三值判定并非 Z3 的原生语义——Z3 是一个SMT 求解器,其 check() 方法仅返回三种状态:sat(存在模型满足约束)、unsat(约束矛盾,无解)、unknown(求解器因超时、理论不支持等原因无法判定)。这里的 unknown 属于求解器能力限制层面的不确定性,而非用户关心的逻辑蕴含层面的“不可推导”(即:给定前提既不能推出 P,也不能推出 ¬P)。

要实现你所需的三值语义判断(即:P 是否必然为真必然为假?还是无法确定?),关键在于进行双向可满足性检验

  • 若 P 可满足 且 ¬P 也可满足 → 前提不足以决定 P 的真假 → 输出 "Unknown"
  • 若 P 可满足 但 ¬P 不可满足(unsat)→ P 必然为真 → 输出 "True"
  • 若 ¬P 可满足 但 P 不可满足 → P 必然为假 → 输出 "False"
  • 若两者均 unsat → 前提自身矛盾(应提前报错)

为安全执行该逻辑,必须使用 Z3 的增量求解接口(push() / pop()),避免多次添加断言污染求解器状态。以下为完整、健壮的实现模式:

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from z3 import *

# 定义枚举个体与谓词
ThingsSort, (charlie, erin, fiona, harry) = EnumSort('ThingsSort', ['charlie', 'erin', 'fiona', 'harry'])
green = Function('green', ThingsSort, BoolSort())
kind  = Function('kind',  ThingsSort, BoolSort())
rough = Function('rough', ThingsSort, BoolSort())
quiet = Function('quiet', ThingsSort, BoolSort())
nice  = Function('nice',  ThingsSort, BoolSort())
smart = Function('smart', ThingsSort, BoolSort())
blue  = Function('blue',  ThingsSort, BoolSort())
x = Const('x', ThingsSort)

# 构建前提知识库(已知事实 + 全称规则)
s = Solver()
s.add(green(charlie))
s.add(kind(charlie))
s.add(nice(charlie))
s.add(rough(charlie))
s.add(kind(erin))
s.add(nice(erin))
s.add(quiet(erin))
s.add(quiet(fiona))
s.add(rough(fiona))
s.add(smart(harry))

# 全称蕴含规则(注意:Z3 对嵌套量词和复杂谓词组合的支持依赖于启发式,确保逻辑简洁)
s.add(ForAll([x], Implies(And(rough(x), green(x)), quiet(x))))
s.add(ForAll([x], Implies(And(green(x), rough(x)), nice(x))))
s.add(ForAll([x], Implies(And(kind(x), smart(x)), green(x))))
s.add(ForAll([x], Implies(And(green(erin), blue(erin)), quiet(erin))))
s.add(ForAll([x], Implies(quiet(x), smart(x))))
s.add(ForAll([x], Implies(kind(x), green(x))))
s.add(ForAll([x], Implies(smart(x), kind(x))))
s.add(ForAll([x], Implies(And(rough(x), nice(x)), blue(x))))

# 辅助函数:安全检查某命题是否与当前知识库一致
def is_consistent(solver, formula):
    solver.push()           # 保存当前状态
    solver.add(formula)
    result = solver.check()
    solver.pop()            # 恢复原始状态,避免副作用
    if result == sat:
        return True
    elif result == unsat:
        return False
    else:
        raise RuntimeError(f"Z3 returned 'unknown'; check logic complexity or set timeout. Got: {result}")

# 执行三值判定:Erin is rough?
p = rough(erin)
is_p_possible   = is_consistent(s, p)
is_not_p_possible = is_consistent(s, Not(p))

if is_p_possible and is_not_p_possible:
    print("Unknown")      # 前提既不蕴含 p,也不蕴含 ¬p
elif is_p_possible:
    print("True")         # 前提蕴含 p(¬p 导致矛盾)
elif is_not_p_possible:
    print("False")        # 前提蕴含 ¬p(p 导致矛盾)
else:
    print("Error: Knowledge base is inconsistent!")

关键要点总结

  • ✅ push()/pop() 是实现干净、可复用判定逻辑的必备手段;
  • ✅ “Unknown” 在此上下文中是逻辑推导结果,而非 Z3 的 unknown 返回值;
  • ✅ 全称量词(ForAll)在 Z3 中由 E-matching 启发式处理,过于复杂的嵌套或非线性谓词可能导致 unknown 或性能下降——建议优先用有限域枚举或简化规则;
  • ✅ 若需规模化处理此类问题,可进一步封装为 ThreeValuedChecker 类,支持批量查询与缓存;
  • ⚠️ 注意:Z3 不是定理证明器(如 Coq、Isabelle),它不提供证明项,仅给出存在性/矛盾性答案;若需可验证的逻辑证明,应结合证明辅助工具

通过这种模式,你既能延续 Z3 简洁易用的优势,又能精准建模“True/False/Unknown”的常识推理需求。

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