Конструируемая вселенная - Constructible universe
В математике , в теории множеств , то конструктивны Вселенная (или конструктивны вселенной Гёделя ), обозначим через L , является частным классом из наборов , которые могут быть описаны исключительно в терминах более простых множеств. L - объединение конструктивной иерархии L α . Он был введен Куртом Гёделем в его статье 1938 года «Непротиворечивость аксиомы выбора и обобщенной гипотезы континуума». Этим он доказал, что конструируемая вселенная является внутренней моделью теории множеств ZF (то есть теории множеств Цермело – Френкеля).с исключенной аксиомой выбора ), а также что аксиома выбора и гипотеза обобщенного континуума верны в конструируемой вселенной. Это показывает, что оба предложения согласуются с основными аксиомами теории множеств, если сам ZF непротиворечив. Поскольку многие другие теоремы верны только в системах, в которых верно одно или оба предложения, их согласованность является важным результатом.
Что L является
L можно рассматривать как строится в «стадии» , напоминающих строительство фон Неймана Вселенной , V . Этапы индексируются порядковыми номерами . В вселенной фон Неймана, на преемника стадии, один принимает V & alpha ; +1 , чтобы множество всех подмножеств на предыдущей стадии, V & alpha ; . Напротив, в конструируемой вселенной L Гёделя используются только те подмножества предыдущего этапа, которые:
- определяется формулой на формальном языке теории множеств,
- с параметрами из предыдущего этапа и,
- с кванторами, интерпретируемыми как диапазон, превышающий предыдущий этап.
Ограничивая себя наборами, определенными только в терминах того, что уже было построено, можно гарантировать, что результирующие множества будут построены таким образом, который не зависит от особенностей окружающей модели теории множеств и содержится в любой такой модели.
Определять
L определяется трансфинитной рекурсией следующим образом:
- Если - предельный ординал , то Здесь α < λ означает, что α предшествует λ .
- Здесь Ord обозначает класс всех ординалов.
Если z является элементом L α , то z = { y | y ∈ L α и y ∈ z } ∈ Def ( L α ) = L α + 1 . Таким образом , L & alpha ; представляет собой подмножество L α + 1 , который представляет собой подмножество множества мощности в L & alpha ; . Следовательно, это башня вложенных транзитивных множеств . Но сам L - правильный класс .
Элементы L называются «конструктивными» множествами; а сама L - это «конструируемая вселенная». « Аксиома конструктивности », он же « V = L », говорит , что каждое множество (из V ) конструктивно, то есть в L .
Дополнительные сведения о множествах L α
Эквивалентное определение для L α :
Для любого конечного ординала n множества L n и V n одинаковы (независимо от того, равно ли V L или нет), и, следовательно, L ω = V ω : их элементы являются в точности наследственно конечными множествами . Равенство за пределами этого пункта не выполняется. Даже в моделях ZFC, в которых V равно L , L ω +1 является надлежащим подмножеством V ω +1 , и после этого L α +1 является собственным подмножеством множества степеней L α для всех α > ω . С другой стороны, V = L означает, что V α равно L α, если α = ω α , например, если α недоступен. В более общем смысле, V = L влечет H α = L α для всех бесконечных кардиналов α .
Если α - бесконечный ординал, то существует биекция между L α и α , и эта биекция конструктивна. Таким образом, эти множества равносильны в любой модели теории множеств, которая их включает.
Как определено выше, Def ( X ) - это множество подмножеств X, определенных Δ 0 формулами (по отношению к иерархии Леви , т. Е. Формулам теории множеств, содержащим только ограниченные кванторы ), которые используют в качестве параметров только X и его элементы.
Другое определение, данное Гёделем, характеризует каждое L α +1 как пересечение множества степеней L α с замыканием под набором из девяти явных функций, подобно операциям Гёделя . В этом определении нет ссылки на определимость.
Все арифметические подмножества ω и отношения на ω принадлежат L ω +1 (поскольку арифметическое определение дает единицу в L ω +1 ). Наоборот, любое подмножество ω, принадлежащее L ω +1, является арифметическим (поскольку элементы L ω могут быть закодированы натуральными числами таким образом, что ∈ определимо, т. Е. Арифметически). С другой стороны, L ω +2 уже содержит некоторые неарифметические подмножества ω , такие как набор (кодирование натуральных чисел) истинных арифметических утверждений (это может быть определено из L ω +1, поэтому оно находится в L ω +2 ).
Все гиперарифметические подмножества ω и отношения на ω принадлежат (где обозначает ординал Черча – Клини ), и, наоборот, любое подмножество ω , принадлежащее к, является гиперарифметическим.
L - стандартная внутренняя модель ZFC.
L - стандартная модель, то есть это транзитивный класс, использующий реальную взаимосвязь элементов, поэтому он хорошо обоснован . L представляет собой внутреннюю модель, т.е. она содержит все порядковые числа V , и не имеет никаких «дополнительных» наборы , кроме тех , в V , но это может быть собственным подклассом V . L является моделью ZFC , что означает, что она удовлетворяет следующим аксиомам :
- Аксиома регулярности : каждое непустое множество x содержит некоторый элемент y, такой что x и y - непересекающиеся множества.
- ( L , ∈) является подструктурой ( V , ∈), которая хорошо обоснована, поэтому L хорошо обоснована. В частности, если у ∈ х ∈ L , то в силу транзитивности L , у ∈ L . Если мы используем тот же y, что и в V , то он по-прежнему не пересекается с x, потому что мы используем то же отношение элементов и не было добавлено никаких новых наборов.
- Аксиома протяженности : два набора одинаковы, если они имеют одинаковые элементы.
- Если x и y находятся в L и имеют одинаковые элементы в L , то по транзитивности L они имеют одинаковые элементы (в V ). Таким образом, они равны (в V и, следовательно, в L ).
- Аксиома пустого множества : {} - это множество.
- {} = L 0 = { y | y ∈ L 0 и y = y } ∈ L 1 . Таким образом , {} ∈ L . Так как элемент соотношения одинакова и не было добавлено никаких новых элементов, это пустое множество L .
- Аксиома спаривания : если x , y - множества, то { x , y } - это множество.
- Если x ∈ L и y ∈ L , то существует некоторый ординал α такой, что x ∈ L α и y ∈ L α . Тогда { x , y } = { s | s ∈ L α и ( s = x или s = y )} ∈ L α +1 . Таким образом , { х , у } ∈ L и имеет такое же значение для L , как и для V .
- Аксиома объединения : для любого множества x существует множество y , элементы которого являются в точности элементами элементов x .
- Если x ∈ L α , то его элементы лежат в L α, а их элементы также лежат в L α . Итак, y является подмножеством L α . y = { s | s ∈ L α и существует z ∈ x такой, что s ∈ z } ∈ L α +1 . Таким образом , у ∈ L .
- Аксиома бесконечности : существует такое множество x , что {} находится в x, и всякий раз, когда y находится в x , объединение также .
- Из трансфинитной индукции получаем, что каждый ординал α ∈ L α +1 . В частности, ш ∈ L ш + 1 и , следовательно , ш ∈ L .
- Аксиома разделения : дано любое множество S и любое предложение P ( x , z 1 , ..., z n ), { x | x ∈ S и P ( x , z 1 , ..., z n )} - множество.
- Индукцией по подформулам P можно показать, что существует α такое, что L α содержит S и z 1 , ..., z n и ( P истинно в L α тогда и только тогда, когда P истинно в L (это называется " принцип отражения ")). Итак, { x | x ∈ S и P ( x , z 1 , ..., z n ) выполняется в L } = { x | х ∈ L α и х ∈ S и Р ( х , г 1 , ..., г п ) имеет место в L & alpha ; } ∈ L α +1 . Таким образом, подмножество в L .
- Аксиома замены : для любого множества S и любого отображения (формально определенного как предложение P ( x , y ), где P ( x , y ) и P ( x , z ) влечет y = z ), { y | существует x ∈ S такой, что P ( x , y )} - множество.
- Пусть Q ( х , у ) есть формула, релятивизирует P в L , т.е. все кванторы в Р ограничены L . Q - гораздо более сложная формула, чем P , но это все же конечная формула, и поскольку P было отображением над L , Q должно быть отображением над V ; Таким образом , мы можем применить замену в V в Q . Итак { y | y ∈ L и существует x ∈ S такой, что P ( x , y ) выполняется в L } = { y | существует й ∈ S такие , что Q ( х , у )} есть множество в V и подкласс L . Снова используя аксиому замены в V , мы можем показать, что должно быть такое α , что это множество является подмножеством L α ∈ L α +1 . Тогда можно использовать аксиому разделения в L , чтобы закончить показывая , что она является элементом L .
- Аксиома набора мощности : для любого набора x существует набор y , такой, что элементы y являются в точности подмножествами x .
- В общем, некоторые подмножества множества в L не будут в L . Таким образом , весь набор мощности множества в L , как правило , не может быть в L . Что нам нужно здесь , чтобы показать , что пересечение множества мощности с L находится в L . Используйте замену в V, чтобы показать, что существует α такое, что пересечение является подмножеством L α . Тогда пересечение есть { z | z ∈ L α и z является подмножеством x } ∈ L α +1 . Таким образом, требуемое множество в L .
- Аксиома выбора : данный набор x взаимно непересекающихся непустых множеств, есть набор y (набор выбора для x ), содержащий ровно один элемент из каждого члена x .
- Можно показать, что существует определимая упорядоченность L, определение которой работает точно так же в самом L. Таким образом , каждый выбирает наименьший элемент каждого члена х , чтобы сформировать у с помощью аксиомы объединения и разделения в L .
Обратите внимание , что доказательство того, что L является моделью ZFC только требует , чтобы V быть моделью ZF, т.е. мы не предполагаем , что аксиома имеет место в V .
L является абсолютным и минимальным
Если W является любой стандартной моделью ZF разделяя те же порядковые , как V , то L определено в W является такой же , как L , определенного в V . В частности, L α одно и то же в W и V для любого ординала α . Те же формулы и параметры в Def ( L α ) создают те же конструктивные множества в L α +1 .
Кроме того, поскольку L является подклассом V и аналогично L является подклассом W , L - это наименьший класс, содержащий все ординалы, который является стандартной моделью ZF. Действительно, L является пересечением всех таких классов.
Если существует множество W в V , которая является стандартной моделью из ZF, а порядковое κ есть множество ординалов , которые происходят в W , то L κ является L из W . Если существует набор, который является стандартной моделью ZF, то наименьшим из таких наборов является L κ . Этот набор называется минимальной моделью ZFC. Используя нисходящую теорему Левенгейма – Сколема , можно показать, что минимальная модель (если она существует) является счетным множеством.
Конечно, любая непротиворечивая теория должна иметь модель, поэтому даже в минимальной модели теории множеств есть множества, которые являются моделями ZF (при условии, что ZF непротиворечива). Однако эти установленные модели нестандартны. В частности, они не используют нормальное отношение элементов и не имеют достаточного обоснования.
Поскольку и L для L, и V для L являются действительными L, а L для L κ и V для L κ являются действительными L κ , мы получаем, что V = L истинно в L и в любом L κ, что это модель фирмы ZF. Однако V = L не выполняется ни в какой другой стандартной модели ZF.
L и большие кардиналы
Так как Ord ⊂ L ⊆ V , свойство порядковых , которые зависят от отсутствия функции или другой структуры (т.е. Π 1 ZF формула) сохраняется при переходе вниз от V до L . Следовательно , начальные порядковые кардиналов остаются начальными в L . Регулярные порядковые остаются регулярными в L . Слабые предельные кардиналы становятся сильными предельными кардиналами в L , так как обобщенная гипотеза континуума имеет в L . Слабо недоступные кардиналы становятся сильно недоступными. Слабо Мало кардиналов становится сильно Мало. И в более общем случае , любой большой кардинальное свойство слабее 0 # (см список больших кардинальных свойств ) будут сохранены в L .
Тем не менее, 0 # ложна в L даже если оно истинно в V . Таким образом, все большие кардиналы, существование которых подразумевает 0 #, перестают обладать этими большими кардинальными свойствами, но сохраняют свойства более слабые, чем 0 #, которыми они также обладают. Например, измеримые кардиналы перестают быть измеримы , но остаются в Мало L .
Если 0 # имеет место в V , то существует замкнутый неограничена класс ординалов , которые являются неразличимыми в L . В то время как некоторые из них даже не начальные порядковые в V , они имеют все большие кардинальные свойства слабее , чем 0 # в L . Кроме того, любая строго возрастающая функция класса из класса неразличимых к себе может быть продлена в уникальном пути к элементарному вложению из L в L . Это дает L красивую структуру повторяющихся сегментов.
L можно хорошо упорядочить
Существуют различные способы хорошо заказа L . Некоторые из них связаны с «тонкой структурой» L , которая была впервые описана Рональдом Бьорном Йенсеном в его статье 1972 года, озаглавленной «Тонкая структура конструируемой иерархии». Вместо объяснения тонкой структуры мы дадим схему того, как L может быть хорошо упорядочен, используя только определение, данное выше.
Предположим, что x и y - два разных набора в L, и мы хотим определить, x < y или x > y . Если x впервые появляется в L α +1, а y сначала появляется в L β +1 и β отличается от α , то пусть x < y тогда и только тогда, когда α < β . В дальнейшем считаем, что β = α .
На этапе L α +1 = Def ( L α ) используются формулы с параметрами из L α для определения наборов x и y . Если не учитывать (на данный момент) параметры, формулам можно присвоить стандартную гёделевскую нумерацию натуральными числами. Если Φ - это формула с наименьшим гёделевским числом, которое можно использовать для определения x , а Ψ - это формула с наименьшим гёделевским числом, которое может использоваться для определения y , а Ψ отличается от Φ , то пусть x < y, если и только если Φ < Ψ в гёделевской нумерации. В дальнейшем считаем, что Ψ = Φ .
Предположим, что Φ использует n параметров из L α . Предположим, что z 1 , ..., z n - это последовательность параметров, которые можно использовать с Φ для определения x , а w 1 , ..., w n делает то же самое для y . Тогда пусть x < y тогда и только тогда, когда либо z n < w n, либо ( z n = w n и z n - 1 < w n - 1 ), либо (z n = w n и z n - 1 = w n - 1 и z n - 2 < w n - 2 ) и т. д. Это называется обратным лексикографическим порядком ; если есть несколько последовательностей параметров, которые определяют один из наборов, мы выбираем наименьший из них в этом порядке. Понятно, что возможные значения каждого параметра упорядочены в соответствии с ограничением упорядочения L до L α , поэтому это определение включает трансфинитную рекурсию по α .
Упорядоченность значений отдельных параметров обеспечивается индуктивной гипотезой трансфинитной индукции. Значения n наборов параметров хорошо упорядочены при заказе продукта. Формулы с параметрами хорошо упорядочены по упорядоченной сумме (по числам Гёделя) упорядоченных состояний. И L хорошо упорядочен упорядоченной суммой (индексированной α ) порядков на L α +1 .
Обратите внимание, что этот хороший порядок может быть определен в самом L с помощью формулы теории множеств без параметров, только со свободными переменными x и y . И эта формула дает одно и то же значение истинности независимо от того, оценивается ли она в L , V или W (какая-то другая стандартная модель ZF с такими же порядковыми номерами), и мы будем предполагать, что формула неверна, если x или y не входят в L .
Хорошо известно, что аксиома выбора эквивалентна способности хорошо упорядочить каждый набор. Возможность правильно упорядочить соответствующий класс V (как мы сделали здесь с L ) эквивалентна аксиоме глобального выбора , которая более действенна, чем обычная аксиома выбора, поскольку она также охватывает собственные классы непустых множеств.
L имеет принцип отражения
Доказательство , что аксиома разделения , аксиома замены и аксиома выбора удержания в L требует (по крайней мере , как показано выше) использование принципа отражения для L . Здесь мы описываем такой принцип.
Индукция по п < ω , мы можем использовать ZF в V , чтобы доказать , что для любого порядкового & alpha ; , есть порядковое β > α такое , что для любого предложения P ( г 1 , ..., г к ) с г 1 ,. .., z k в L β и содержащий менее n символов (считая постоянный символ для элемента L β как один символ), мы получаем, что P ( z 1 , ..., z k ) выполняется в L β, если и только если он держит в L .
Гипотеза обобщенного континуума верна в L
Пусть , и пусть Т быть любым построимо подмножество S . Тогда существует некоторый β с , значит , для некоторой формулы Φ и некоторый взятый из . По нисходящей теореме Левенгейма – Сколема и коллапсу Мостовского должно существовать некоторое транзитивное множество K, содержащее и некоторое , и имеющее ту же теорию первого порядка, что и с замененным ; и этот K будет иметь тот же кардинал, что и . Поскольку верно в , то оно верно и в K , поэтому для некоторого γ, имеющего тот же кардинал, что и α . А потому и есть та же теория. Так что на самом деле T находится внутри .
Таким образом, все конструктивные подмножества бесконечного множества S имеют ранги (не более чем) с тем же кардиналом κ, что и ранг S ; отсюда следует , что если δ является начальным порядковым для каппа + , а затем служит в качестве «силового набора» из S в L . Таким образом это «силовой набор» . А это, в свою очередь, означает, что «силовой набор» S имеет кардинальное значение не более || δ ||. Если предположить, что сама S имеет кардинал κ , тогда «набор мощности» должен иметь кардинал в точности κ + . Но это именно обобщенный континуум гипотеза релятивизирована к L .
Конструируемые множества определяются из ординалов
Существует формула теории множеств, которая выражает идею, что X = L α . В нем есть только свободные переменные для X и α . Используя это, мы можем расширить определение каждого конструктивного множества. Если s ∈ L α +1 , то s = { y | y ∈ L α и Φ ( y , z 1 , ..., z n ) выполняется в ( L α , ∈)} для некоторой формулы Φ и некоторых z 1 , ..., z n в L α . Это эквивалентно тому, что: для всех y , y ∈ s тогда и только тогда [существует X такое, что X = L α и y ∈ X и Ψ ( X , y , z 1 , ..., z n )] где Ψ ( X , ...) является результатом ограничения каждого квантора в Ф (...) для X . Заметим, что каждый z k ∈ L β +1 для некоторого β < α . Объедините формулы для z с формулой для s и примените экзистенциальные кванторы к z снаружи, и вы получите формулу, которая определяет конструктивное множество s, используя только порядковые числа α, которые появляются в выражениях типа X = L α в качестве параметров.
Пример: множество {5, ω } конструктивно. Это единственный набор s, который удовлетворяет формуле:
где это сокращение от:
Фактически, даже эта сложная формула была упрощена по сравнению с инструкциями, приведенными в первом абзаце. Но суть остается в силе: существует формула теории множеств, которая верна только для желаемого конструктивного множества s и содержит параметры только для ординалов.
Относительная конструктивность
Иногда желательно найти модель теории множеств, более узкую, как L , но включающую или находящуюся под влиянием множества, которое невозможно построить. Это порождает концепцию относительной конструктивности, из которой существует две разновидности, обозначаемые L ( A ) и L [ A ].
Класс L ( A ) для неконструируемого множества A является пересечением всех классов, которые являются стандартными моделями теории множеств и содержат A и все ординалы.
L ( A ) определяется трансфинитной рекурсией следующим образом:
- L 0 ( A ) = наименьшее транзитивное множество, содержащее A в качестве элемента, то есть транзитивное замыкание { A }.
- L α +1 ( A ) = Def ( L α ( A ))
- Если λ - предельный ординал, то .
- .
Если L ( A ) содержит хороший порядок транзитивного замыкания A, то он может быть расширен до хорошего порядка L ( A ). В противном случае выбранная аксиома потерпит неудачу в L ( A ).
Типичным примером является наименьшая модель, содержащая все действительные числа, которая широко используется в современной описательной теории множеств .
Класс L [ A ] - это класс множеств, на построение которых влияет A , где A может быть (предположительно неконструктивным) множеством или собственным классом. В определении этого класса используется Def A ( X ), который аналогичен Def ( X ), за исключением того, что вместо оценки истинности формул Φ в модели ( X , ∈) используется модель ( X , ∈, A ) где A - унарный предикат. Предназначена интерпретация А ( у ) есть у ∈ . Тогда из определения L [ ] точно , что из L только с Def заменен Def A .
L [ A ] всегда является моделью аксиомы выбора. Даже если A является набором, A не обязательно сам является членом L [ A ], хотя всегда так, если A является набором ординалов.
Наборы в L ( A ) или L [ ], как правило , на самом деле не конструктивны, и свойства этих моделей могут быть совершенно отличными от свойств L самого.
Смотрите также
- Аксиома конструктивности
- Утверждения верны в L
- Принцип отражения
- Аксиоматическая теория множеств
- Переходный набор
- L (R)
- Порядковый определяемый
Примечания
- Перейти ↑ Gödel 1938.
- ^ К. Девлин 1975, Введение в тонкую структуру конструируемой иерархии (стр.2). Дата обращения 12 мая 2021 г.
- ^ Barwise 1975, стр. 60 (комментарий после доказательства теоремы 5.9)
использованная литература
- Барвайз, Джон (1975). Допустимые множества и структуры . Берлин: Springer-Verlag. ISBN 0-387-07451-1.
- Девлин, Кейт Дж. (1984). Конструктивность . Берлин: Springer-Verlag. ISBN 0-387-13258-9.
- Фельгнер, Ульрих (1971). Модели теории ZF-множеств . Конспект лекций по математике. Springer-Verlag. ISBN 3-540-05591-6.
- Гёдель, Курт (1938). «Непротиворечивость аксиомы выбора и гипотезы обобщенного континуума» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . Национальная академия наук. 24 (12): 556–557. Bibcode : 1938PNAS ... 24..556G . DOI : 10.1073 / pnas.24.12.556 . JSTOR 87239 . PMC 1077160 . PMID 16577857 .
- Гёдель, Курт (1940). Непротиворечивость гипотезы континуума . Анналы математических исследований. 3 . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-07927-1. Руководство по ремонту 0002514 .
- Jech, Томас (2002). Теория множеств . Монографии Спрингера по математике (изд. 3-го тысячелетия). Springer. ISBN 3-540-44085-2.