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第506章 Zermelo-Fraenkel集理论公理

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————以下是正文————

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=x∨w=y)).?x?y?z?w(w∈z(w=x∨w=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?Vω,∈?是前五个公理和无限多分离实例的模型。每个成员Vω事实上是有限的Vω是世袭有限集的集合。这基本上是标准模型?。

无限

有无限的集合。这正式表示为

?x(?∈x∧?z(z∈x→z∪{z}∈x).?x(?∈x∧?z(z∈x→z∪{z}∈x).

此时我们可以定义ω,+,ω,+,和??在ωω,得出基本事实ω以及数学归纳原理ω(即,我们可以证明皮亚诺公理在?ω,+,???ω,+,??)。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(dom?f=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(ω?2)(ω?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,?α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G?del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κκ为了哪个VκVκ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Vκ形式,因为如果有任何及物模型ZFC,然后通过L?wenheim-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Vκ。

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。

ω-模型ZFC

安ω-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ω-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ω-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ωω-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?英寸M,有一个M-通用过滤器 G??G?P,只需列举?英寸M按可数顺序?Dn∣n<ω??Dn∣n<ω?,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Vκ对于无法接触到的cardinalκκ。

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ω-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,L?wenheim-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ω1ω1(其意义取决于模型:一般来说ωM11≠ωM21ω1M1≠ω1M2)。此外,还有及物理论模型断言“有ααZFC+的可数传递模型“有ω1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ω1ω1(否则他们不可能有ω1ω1不同的高度)。

假设在VV我们有一个基数高度的及物模型κκ。我们可以把每个数不清的继任者变成红衣主教λ+≤κλ+≤κ进入ω1ω1通过强迫(在V[G]V[G])。在V[G]V[G],及物模型不受限制ωV[G]1ω1V[G](=(λ+)V≤κ=(λ+)V≤κ)。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κκ,然后有“非常多”所有基数高度的及物模型λ<κλ<κ。

特别是,ZFC模型(和ZFC+“ZFC模型是无界的”等)在Vκ为了世俗κ,就像在Vκ无法访问κ有世俗、世俗、超世俗等cardinal。