定理

提示：此条目页的主题不是科学定律。

关于与“定理”标题相近或相同的条目页，请见“定理 (消歧义)”。

定理（英语：Theorem）是经过受逻辑限制的证明为真的陈述。一般来说，在数学中，只有重要或有趣的陈述才叫定理。证明定理是数学的中心活动。一个定理陈述一个给定类的所有（全称）元素一种不变的关系，这些元素可以是无穷多，它们在任何时刻都无区别地成立，而没有一个例外。（例如：某些$a$是$x$，某些$a$是$y$，就不能算是定理）。

猜想是相信为真但未被证明的数学叙述，或者叫做命题，当它经过证明后便是定理。猜想是定理的来源，但并非唯一来源。一个从其他定理引伸出来的数学叙述可以不经过成为猜想的过程，成为定理。

如上所述，定理需要某些逻辑框架，继而形成一套公理（公理系统）。同时，一个推理的过程，容许从公理中引出新定理和其他之前发现的定理。

在命题逻辑，所有已证明的叙述都称为定理。

各种数学叙述（按重要性来排列）

1. 数学原理
2. 公理（也称公设）－公理是没有经过证明，但被当作不证自明的一个命题。
3. 定理
4. 命题－通常，命题是一个可以判断真或假的陈述句，亦有既真又假的命题（悖论）。
5. 推论（也称系、系理）－一个从定理随之而即时出现的叙述。若命题B可以很快、简单地推导出命题A，命题A为命题B的推论。
6. 引理（也称辅助定理，补理）－某个定理的证明的一部分的叙述。它并非主要的结果。引理的证明有时还比定理长，例如舒尔引理。
7. 假说－根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及其规律性提出的推测和说明。

结构

定理一般都有许多条件。然后有结论——一个在条件下成立的数学叙述。通常写作“若条件，则结论”。用符号逻辑来写就是条件→结论。而当中的证明不视为定理的成分。

逆定理

若存在某叙述为$A\rightarrow B$，其逆叙述就是$B\rightarrow A$。逆叙述成立的情况是$A\leftrightarrow B$，否则通常都是倒果为因，不合常理。若果叙述是定理，其成立的逆叙述就是逆定理。

• 若某叙述和其逆叙述都为真，条件必要且充足。
• 若某叙述为真，其逆叙述为假，条件充足。
• 若某叙述为假，其逆叙述为真，条件必要。

逻辑中的定理

逻辑语言中的定理表示的是一个公式集合，并且该公式集合中的每一个公式都代表着知识的一个片段，由此我们可以给定理一个更准确的表达（这里所说的定理指的是在一阶逻辑中的定理，通常来说任意一个命题集合往往不一定是定理）。定理在逻辑中的定义︰

一个定理是一个含有由建立于语言集合$L$上的命题（$L$-命题）组成的非空集合。

这个定理（或这个命题集合）我们记作$T$，这些建立于语言集合$L$上的命题必须符合如下属性：

对所有在$T$中的命题$\varphi$，如果$T\vDash \varphi$，那么$\varphi \in T$。

比如一个永真命题集合是一个定理，这个永真命题集合被包含在所有建立在语言集合$L$上的定理中。此外，我们说一个定理是另外一个定理$T$的扩展（extension），前提是该定理包含定理$T$。

有一个命题集合$A$，我们将一个包含$A$的集合记作${\mbox{Th}}(A)$，那么${\mbox{Th}}(A)=\{\ \varphi \ \ |\ \ A\vDash \varphi \ \}$ 。显而易见$A\vDash {\mbox{Th}}(A)$，所以${\mbox{Th}}(A)$是一个定理。比如我们有一个集合$G$，$G$有三个基于语言$L$上的命题，其中$L=\{e,f\}$，$e$是常数符号，$f$是函数符号。三个命题如下：

$\forall x\forall y\forall zf(f(x,y),z)=f(x,f(y,z))$，

$\forall xf(x,e)=x\land f(e,x)=x$，

$\forall x\exists yf(x,y)=e\land f(y,x)=e$。

那么如果有${\mbox{Th}}(G)=\{\ \varphi \ \ |\ \ G\vDash \varphi \ \}$，则${\mbox{Th}}(G)$是$G$的定理。当然，如果$A$和$B$是两个命题集合且满足$A\subseteq B$，那么${\mbox{Th}}(A)\subseteq {\mbox{Th}}(B)$。

我们说一个定理$T$是完整的（Complete），当且仅当对于和$T$一样构建在同样语言集合上的所有命题$\varphi$，要么$\varphi \in T$，要么$\lnot \varphi \in T$。

注意：这个概念不能和定理$T$的完备性（Completude）混淆，完备性是证明在定理$T$中的永真命题是递推可枚举的（recursivement enumerable），但是不能说它一定是完整的。

不是所有的定理是完整的。比如${\mbox{Th}}(\Phi )$一个空集合$\{\Phi \}$的定理是所有真命题集合，但是${\mbox{Th}}(\Phi )$不是完整的。假如有命题$\Psi =\exists x\exists y(x\neq y)$，对于$\Psi$来说，它既不是永真命题，也不是永假命题，它是一个可满足式的命题，也就是说${\mbox{Th}}(\Phi )\nvDash \Psi$且${\mbox{Th}}(\Phi )\nvDash \lnot \Psi$。因此$\Psi \notin {\mbox{Th}}(\Phi )$，所以我们说${\mbox{Th}}(\Phi )$不是完整的。 一个定理$T$称作是稳健的（Consistante），当且仅当$\forall \varphi \in T,\ \lnot \varphi \notin T$。我们说对所有的解释（Interpretation）$I$，${\mbox{Th}}(I)$是一个定理，并且${\mbox{Th}}(I)$既是稳健的又是完整的。

参见

• 数学定理列表