Mechanised metamathematics : an investigation of first-order logic and set theory in constructive type theory

Abstract

In this thesis, we investigate several key results in the canon of metamathematics, applying the contemporary perspective of formalisation in constructive type theory and mechanisation in the Coq proof assistant. Concretely, we consider the central completeness, undecidability, and incompleteness theorems of first-order logic as well as properties of the axiom of choice and the continuum hypothesis in axiomatic set theory. Due to their fundamental role in the foundations of mathematics and their technical intricacies, these results have a long tradition in the codification as standard literature and, in more recent investigations, increasingly serve as a benchmark for computer mechanisation. With the present thesis, we continue this tradition by uniformly analysing the aforementioned cornerstones of metamathematics in the formal framework of constructive type theory. This programme offers novel insights into the constructive content of completeness, a synthetic approach to undecidability and incompleteness that largely eliminates the notorious tedium obscuring the essence of their proofs, as well as natural representations of set theory in the form of a second-order axiomatisation and of a fully type-theoretic account. The mechanisation concerning first-order logic is organised as a comprehensive Coq library open to usage and contribution by external users.

In dieser Doktorarbeit werden einige Schlüsselergebnisse aus dem Kanon der Metamathematik untersucht, unter Verwendung der zeitgenössischen Perspektive von Formalisierung in konstruktiver Typtheorie und Mechanisierung mit Hilfe des Beweisassistenten Coq. Konkret werden die zentralen Vollständigkeits-, Unentscheidbarkeits- und Unvollständigkeitsergebnisse der Logik erster Ordnung sowie Eigenschaften des Auswahlaxioms und der Kontinuumshypothese in axiomatischer Mengenlehre betrachtet. Aufgrund ihrer fundamentalen Rolle in der Fundierung der Mathematik und ihrer technischen Schwierigkeiten, besitzen diese Ergebnisse eine lange Tradition der Kodifizierung als Standardliteratur und, besonders in jüngeren Untersuchungen, eine zunehmende Bedeutung als Maßstab für Mechanisierung mit Computern. Mit der vorliegenden Doktorarbeit wird diese Tradition fortgeführt, indem die zuvorgenannten Grundpfeiler der Methamatematik uniform im formalen Rahmen der konstruktiven Typtheorie analysiert werden. Dieses Programm ermöglicht neue Einsichten in den konstruktiven Gehalt von Vollständigkeit, einen synthetischen Ansatz für Unentscheidbarkeit und Unvollständigkeit, der großteils den berüchtigten, die Essenz der Beweise verdeckenden, technischen Aufwand eliminiert, sowie natürliche Repräsentationen von Mengentheorie in Form einer Axiomatisierung zweiter Ordnung und einer vollkommen typtheoretischen Darstellung. Die Mechanisierung zur Logik erster Ordnung ist als eine umfassende Coq-Bibliothek organisiert, die offen für Nutzung und Beiträge externer Anwender ist.