第506章 Zermelo-Fraenkel集理论公理
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不可知级大佬 更新:2021-09-03 03:06 字数:5623
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zermelo-fraenkel集理论公理
(从过渡性zfc模型重定向)
zermelo-frankel集理论与选择公理(zfc)是集合理论家使用公理的标准集合。用于表达每个公理的正式语言是一阶的,具有平等性(==)和一个二进制关系符号,∈∈,意在表示集合成员资格。零集公理和分离模式被后来更具包容性的公理所取代。
公理
扩展性
集合由其元素唯一确定。这正式表示为
∀x∀y(∀z(z∈xz∈y)→x=y).∀x∀y(∀z(z∈xz∈y)→x=y).
“→→”可以替换为“”,但是←←方向是一个逻辑定理。或者,可延伸性公理可以作为平等的定义,也可以用它来代替它:
∀x∀y(∀a(a∈xa∈y)→∀b(x∈by∈b))∀x∀y(∀a(a∈xa∈y)→∀b(x∈by∈b))
意味着具有相同元素的集合属于相同的集合。
空集
有一些集合。事实上,有一套没有成员。这是正式表达的
∃x∀y(y∉x).∃x∀y(y∉x).
这样一个x按扩展性是唯一的,此集合表示为∅∅。
配对
对于任何两套xx和yy(不一定不同)还有一套zz谁的成员正是布景?xx和yy。
∀x∀y∃z∀w(w∈z(w=xvw=y)).∀x∀y∃z∀w(w∈z(w=xvw=y)).
这样一个z因扩展性而独一无二,并表示为{x,y}{x,y}。
工会
对于任何一套xx还有一套yy其成员正是所有成员xx。也就是说,集合的所有成员的联盟都存在。这正式表示为
∀x∃y∀z(z∈y∃w(w∈x∧z∈w)).∀x∃y∀z(z∈y∃w(w∈x∧z∈w)).
这样一个y因扩展性而独一无二,并被写成y=⋃xy=⋃x。
基础(或规律性)
每套非空集x成员与x,确保任何集合都不能直接或间接包含自己。这正式表示为
∀x≠∅∃y∈x¬∃z(z∈x∧z∈y).∀x≠∅∃y∈x¬∃z(z∈x∧z∈y).
同样,根据选择公理,没有无限的降序⋯∈x2∈x1∈x0⋯∈x2∈x1∈x0。
分离模式
对于任何一套aa和任何谓词p(x)p(x)用zfc的语言写,集合{x∈a:p(x)}{x∈a:p(x)}存在。更详细地说,给定任何公式φ有自由变量x1,x2,…,xnx1,x2,…,xn以下是一个公理:
∀a∀x1∀x2…∀xn∃y∀z(z∈y(z∈a∧φ(x1,x2,…,xn,z))∀a∀x1∀x2…∀xn∃y∀z(z∈y(z∈a∧φ(x1,x2,…,xn,z))
这样一个y,以扩展性独一无二,并被写入(适用于固定集)a,x1…,xna,x1…,xn)y={z∈a:φ(x1,x2,…,xn,z)}y={z∈a:φ(x1,x2,…,xn,z)}。
到目前为止,我们无法证明无限集的存在。即⟨vw,∈⟩是前五个公理和无限多分离实例的模型。每个成员vw事实上是有限的vw是世袭有限集的集合。这基本上是标准模型ℕ。
无限
有无限的集合。这正式表示为
∃x(∅∈x∧∀z(z∈x→zu{z}∈x).∃x(∅∈x∧∀z(z∈x→zu{z}∈x).
此时我们可以定义w,+,w,+,和⋅⋅在ww,得出基本事实w以及数学归纳原理w(即,我们可以证明皮亚诺公理在⟨w,+,⋅⟩⟨w,+,⋅⟩)。但我们还不能证明一个数不清的集合的存在。
电源设置
对于任何一套x还有一套y作为成员,所有子集x没有其他元素。y是电源集x。这正式表示为
∀x∃y∀z(z∈y∀w(w∈z→w∈x))∀x∃y∀z(z∈y∀w(w∈z→w∈x))
[独特的yy写成y=(x)y=p(x).]
定义有序对(a,b)(a,b)是{{a},{a,b}}{{a},{a,b}}。关系作为有序对的集合,函数作为关系ff以至于(a,b)∈f(a,b)∈f和(a,c)∈f(a,c)∈f暗示b=cb=c。
选择
这个公理有很多公式。这是历史上最具争议的公理zfczfc。
∀x[∀y(y∈x→y≠∅)→∃f(domf=x∧∀a∈x(f(a)∈a))]∀x[∀y(y∈x→y≠∅)→∃f(domf=x∧∀a∈x(f(a)∈a))]
zermelo(1908年)明确阐述了上述公理产生的理论。大多数经典数学都可以在这个理论中进行,但令人惊讶的是,没有比(w⋅2)(w⋅2)可以证明存在于这一理论中(至少对zermelo来说是这样,他只是忽视了frankel和其他人发现的下一个公理)。
替换模式
如果aa是一套,对所有人来说x∈ax∈a有一个独特的y以至于(x,y)(x,y)满足给定的财产,然后收集此类财产y这是一套。更详细地说,给定一个公式φ(x1,…,xn,x,y)φ(x1,…,xn,x,y)以下是替换模式的实例:
∀a∀x1…∀xn[(∀x∈a∃!yφ(x1,…,xn,x,y))→∃z∀w(w∈z∃u∈aφ(x1,…,xn,u,w))].∀a∀x1…∀xn[(∀x∈a∃!yφ(x1,…,xn,x,y))→∃z∀w(w∈z∃u∈aφ(x1,…,xn,u,w))].
更换申请
替换公理证明,每个有序集都与(唯一)序数同构。
证明。只需为每个世界展示这一点。⟨l,<l⟩⟨l,<l⟩和每个l∈ll∈l,l<l={m∈l:m<ll}≅l<l={m∈l:m<ll}≅到(独特的)序号f(l)f(l)。修复l∈ll∈l,ll最不反例。然后ff定义在l<ll<l通过替换,ran(f↾l<l)ran(f↾l<l)是一套序数aa。从关于序数和顺序的基本事实来看,很容易看出aa是序号αα。如果ll是ll然后l<l≅α+1l<l≅α+1。如果ll是限制ll,那么l<l≅αl<l≅α。
∀x∃α(x∈vα)∀x∃α(x∈vα)。
对于所有序数α,ℵα存在(即为每个α至少有α+1α+1-许多无限红衣主教)。
此外,置换公理也证明了分离公理,反过来又证明了空集公理。此外,与功率集公理一起证明了配对公理。
zfc的一致性
断言con(zfc)con(zfc)是理论的断言zfc是一致的。这是一个复杂的断言Π01Π10在算术中,因为它断言每个自然数都不是哥德尔代码,证明来自zfc。由于gödel完整性定理,该断言等同于该理论zfc有模型⟨m,∈̂⟩⟨m,∈^⟩。其中一种模型是henkin模型,该模型基于任何完全一致的henkin理论扩展的句法程序zfc。一般来说,人们可能不会认为∈̂∈^是实际集成员关系,因为这将使模型成为zfc,其存在比con(zfc)con(zfc)。
哥德尔不完全性定理意味着如果zfczfc是一致的,那么它就不能证明con(zfc)con(zfc),因此这个公理的添加严格来说比zfc独自一人。
表达方式con2(zfc)con2(zfc)表示断言con(zfc+con(zfc))con(zfc+con(zfc)),更笼统地迭代这一点,人们可能会考虑这种说法conα(zfc)conα(zfc)每当α本身是可以表达的。
及过渡模型
一种传递模型zfczfc是一套及物mm以至于结构⟨m,∈⟩⟨m,∈⟩满足所有zfc集合理论公理。这种模式的存在严格来说比con(zfc)con(zfc)比迭代一致性层次结构更强大,但比世俗红衣主教、红衣主教的存在更弱kk为了哪个vkvk是zfc,因此也比无法接近的红衣主教的存在更弱。并非所有及物动词模型zfczfc有vk形式,因为如果有任何及物模型zfc,然后通过löwenheim-skolem定理和mostowski崩溃引理,有一个可数的这种模型,这些模型从来没有形式vk。
尽管如此,每个及物动词模型m的zfc提供了一个集合理论论坛,在这个论坛中,人们可以看到几乎所有正在进行的经典数学。在这个意义上,普通集理论结构无法访问或无法访问此类模型。因此,存在一个zfc可以被视为一个大的基数公理:它表达了一个大的概念,这种模型的存在在zfc并具有严格超越的一致性强度zfczfc。
最小及物模型zfc
如果有任何及物模型m的zfc,那么lm,计算在m,也是zfc事实上,有表格lη,哪里η=ht(m)η=ht(m)是高度m。最小及物模型zfc是模型lη,哪里η最小,以至于这是一个模型zfc。刚才给出的论点表明,最小及物模型是所有其他及物模型的子集zfc。
它的高度比最不稳定的序数要小,尽管zfc中可以证明存在稳定序数,而传递模型的存在则不然。
w-模型zfc
安w-模型zfc是zfc其自然数的集合与实际自然数同构。换句话说,一个w-模型是一个没有非标准自然数的模型,尽管它可能有非标准序数。(更一般地说,对于任何序号α,一个α-模型至少有基础良好的部件α。)每个及物模型zfc是一个w-模型,但后一个概念严格来说更弱。
一致性层次结构
存在一个ww-模型zfczfc并暗示con(zfc)con(zfc)当然,还有con(zfc+con(zfc))con(zfc+con(zfc))以及大部分迭代一致性层次结构。这只是因为如果m⊨zfcm⊨zfc并有标准的自然数,然后m同意con(zfc)con(zfc)坚持,因为它的证据与我们在环境背景下的证据相同。因此,我们认为m满足zfc+con(zfc)zfc+con(zfc)因此,我们相信con(zfc+con(zfc))con(zfc+con(zfc))。接下来m同意这种一致性主张,所以我们现在相信con3(zfc)con3(zfc)。模型m因此同意,所以我们相信con4(zfc)con4(zfc)等等,只要我们能够以一种m正确解释它们。
每个有限的碎片zfc由于反射定理,允许许多传递模型。
及过渡模型和强迫
历史上,集合理论的可数传递模型被用作将强迫形式化的便捷方式。这种模型m使强迫理论变得方便,因为人们可以很容易地证明,对于每个部分订单ℙ英寸m,有一个m-通用过滤器 g⊂ℙg⊂p,只需列举ℙ英寸m按可数顺序⟨dnin<w⟩⟨dnin<w⟩,并构建降序p0≥p1≥p2≥⋯p0≥p1≥p2≥⋯,与pn∈dnpn∈dn。过滤器gg序列生成的是m通用。
为了证明一致性,这种形式化效果很好。显示con(zfc)→con(zfc+φ)con(zfc)→con(zfc+φ),修复了一个有限的片段zfc并使用合适的大碎片的可数传递模型,产生φ在强制扩展中包含所需的碎片。
及物模型宇宙公理
及物模型宇宙公理是断言每组都是zfc。这个公理比费弗曼理论提出了更强有力的主张,因为它被断言为单一的一阶主张,但比宇宙公理更弱,宇宙公理断言宇宙有形式vk对于无法接触到的cardinalkk。
传递模型宇宙公理有时在背景理论中研究,而不是zfc,但对于zfc-p,省略了幂集公理,以及断言每个集都是可数的公理。这种事业相当于采用后一种理论,不是作为数学的基本公理,而是作为研究多元宇宙视角的背景元理论,调查各种实际集理论宇宙、完整的及物模型zfc,彼此相关。
每个型号zfc包含一个模型zfc作为一个元素
每个模型m的zfc有一个元素n,它认为这是集合理论语言中的一阶结构,是集合理论的模型zfc,从外部看m。这在以下情况下是显而易见的m是一个w-模型zfc,因为在这种情况下m同意zfczfc是一致的,因此可以构建一个亨金模型zfc。在其余情况下,m有非标准自然数。通过反射定理应用于m,我们知道Σn碎片zfc在表单模型中是正确的vmβvβm,对于每个标准自然数n。自从m无法确定其标准切割,因此必须有一些非标准切割nn为了哪个m认为一些vmβvβm满足(非标准)Σn碎片zfc。自从n是非标准,这包括完整的标准理论zfc,根据需要。
前一段中提到的事实偶尔会被一些初创理论家发现令人惊讶,也许是因为这个结论天真地似乎与这样一个事实相矛盾,即可能存在模型zfc+¬con(zfc)zfc+¬con(zfc)。然而,通过意识到尽管模型n里面m实际上是一个完整的模型zfc,模型m无需同意这是zfc,如果m具有非标准自然数,因此非标准长度公理zfc。
数不清的及物模型
回想一下,löwenheim-skolem定理和mostowski崩溃引理表明,如果zfc有一个传递模型(或其他集合理论),那么就有一个可数的此类模型。这意味着ll每个不可数的传递模型都是zfc+的模型v=lv=l+“zfc+有一个可数的传递模型v=lv=l?这个理论中有一些可数的传递模型,它们必须比最小模型具有更高的高度。同样,也有理论的传递模型,断言不同高度的可数可数传递模型,直到w1w1(其意义取决于模型:一般来说wm11≠wm21w1m1≠w1m2)。此外,还有及物理论模型断言“有ααzfc+的可数传递模型“有w1不同高度的zfc可数传递模型?不同高度?等。因此,如果有一个不可数的传递模型,那么“真的很多”(在“等”建议的非正式含义中)可数传递模型,它们在w1w1(否则他们不可能有w1w1不同的高度)。
假设在vv我们有一个基数高度的及物模型kk。我们可以把每个数不清的继任者变成红衣主教λ+≤kλ+≤k进入w1w1通过强迫(在v[g]v[g])。在v[g]v[g],及物模型不受限制wv[g]1w1v[g](=(λ+)v≤k=(λ+)v≤k)。传递模型的可构造宇宙(lht(m)lht(m))是zfc+的型号v=lv=l它是l哪个很常见v和v[g]v[g]。所以zfc+的型号v=lv=l无限(λ+)v(λ+)v英寸v。他们中的一些人具有高度的基数λλ他们“很多”。因此,如果有基数高度的传递模型kk,然后有“非常多”所有基数高度的及物模型λ<kλ<k。
特别是,zfc模型(和zfc+“zfc模型是无界的”等)在vk为了世俗k,就像在vk无法访问k有世俗、世俗、超世俗等cardinal。