Konstruktivní vesmír - Constructible universe
v matematika, v teorie množin, konstruovatelný vesmír (nebo Gödelův konstruovatelný vesmír), označeno L, je zvláštní třída z sady které lze zcela popsat pomocí jednodušších množin. L je unie konstruovatelná hierarchie Lα . To bylo představeno Kurt Gödel ve svém příspěvku z roku 1938 „Konzistence axiomu volby a všeobecné hypotézy kontinua“.[1] Tím dokázal, že konstruktivní vesmír je vnitřní model z ZF teorie množin a také to, že axiom volby a zobecněná hypotéza kontinua platí ve konstruovatelném vesmíru. To ukazuje, že obě tvrzení jsou konzistentní se základním axiomy teorie množin, pokud je konzistentní samotný ZF. Protože mnoho dalších vět platí pouze v systémech, ve kterých je pravdivá jedna nebo obě věty, je jejich důslednost důležitým výsledkem.
Co L je
L lze považovat za stavbu ve "fázích" připomínajících vesmír von Neumann, PROTI. Fáze jsou indexovány pomocí řadové. Ve vesmíru von Neumanna, v a nástupce fázi, jeden bere PROTIα+1 být souborem Všechno podmnožiny předchozí fáze, PROTIα. Naproti tomu v Gödelově konstruovatelném vesmíru L, jeden používá pouze ty podmnožiny předchozí fáze, které jsou:
- definovatelný a vzorec v formální jazyk teorie množin,
- s parametry z předchozí fáze a
- s kvantifikátory interpretován tak, aby se pohyboval v průběhu předchozí fáze.
Omezením na množiny definované pouze z hlediska toho, co již bylo zkonstruováno, je zajištěno, že výsledné množiny budou konstruovány způsobem, který je nezávislý na zvláštnostech okolního modelu teorie množin a obsažený v každém takovém modelu.
Definovat
L je definováno transfinitní rekurze jak následuje:
- Li je mezní pořadové číslo, pak Tady α<λ prostředek α předchází λ.
- Tady Obj označuje třída všech ordinálů.
Li z je prvek Lα, pak z = {y | y ∈ Lα a y ∈ z} ∈ Def (Lα) = Lα + 1. Tak Lα je podmnožinou Lα+1, což je podmnožina souboru napájecí sada z Lα. V důsledku toho je to věž vnořená tranzitivní množiny. Ale L sám o sobě je správná třída.
Prvky L se nazývají „konstruovatelné“ množiny; a L sám o sobě je „konstruovatelný vesmír“. „axiom konstruovatelnosti „aka“PROTI = L", říká, že každá sada (z PROTI) je konstruovatelný, tj. v L.
Další fakta o sadách Lα
Ekvivalentní definice pro Lα je:
Pro každou konečnou řadovou n, sady Ln a PROTIn jsou stejné (zda PROTI rovná se L nebo ne), a tedy Lω = PROTIω: jejich prvky jsou přesně dědičně konečné sady. Rovnost za tímto bodem neplatí. I v modelech ZFC ve kterém PROTI rovná se L, Lω+1 je správná podmnožina PROTIω+1a poté Lα+1 je správná podmnožina sady výkonu Lα pro všechny α > ω. Na druhou stranu, PROTI = L to naznačuje PROTIα rovná se Lα -li α = ωα, například pokud α je nepřístupný. Obecněji, PROTI = L naznačuje Hα = Lα pro všechny nekonečné kardinály α.
Li α je nekonečný řadový, pak existuje bijekce mezi Lα a αa bijekce je proveditelná. Tyto sady tedy jsou stejný počet v každém modelu teorie množin, který je zahrnuje.
Jak je definováno výše, Def (X) je sada podmnožin X definovaný Δ0 vzorce (tj. vzorce teorie množin obsahující pouze omezené kvantifikátory ), které se používají pouze jako parametry X a jeho prvky.
Další definice, kvůli Gödel, charakterizuje každý Lα+1 jako průsečík výkonové sady Lα s uzavřením pod kolekcí devíti explicitních funkcí, podobně jako Gödelovy operace. Tato definice neodkazuje na definovatelnost.
Všechno aritmetický podmnožiny ω a vztahy na ω patřit k Lω+1 (protože aritmetická definice dává jeden v Lω+1). Naopak jakákoli podmnožina ω patřící Lω+1 je aritmetický (protože prvky Lω lze kódovat přirozenými čísly takovým způsobem, že ∈ je definovatelný, tj. aritmetický). Na druhou stranu, Lω+2 již obsahuje určité nearitmetické podmnožiny ω, jako je množina (kódování přirozených čísel) pravdivých aritmetických příkazů (lze je definovat z Lω+1 tak je to v Lω+2).
Všechno hyperaritmetické podmnožiny ω a vztahy na ω patřit k (kde znamená Církev – Kleene ordinální ) a naopak jakákoli podmnožina ω kterému patří je hyperaritmetický.[2]
L je standardní vnitřní model ZFC
L je standardní model, tj. je tranzitivní třída a používá vztah skutečných prvků, takže je opodstatněný. L je vnitřní model, tj. obsahuje všechna pořadová čísla PROTI a nemá žádné „extra“ sady nad rámec těch v PROTI, ale může to být správná podtřída PROTI. L je model ZFC, což znamená, že splňuje následující podmínky axiomy:
- Axiom pravidelnosti: Každá neprázdná sada X obsahuje nějaký prvek y takhle X a y jsou disjunktní množiny.
- (L, ∈) je substruktura (PROTI, ∈), který je opodstatněný, takže L je opodstatněná. Zejména pokud y ∈ X ∈ L, pak tranzitivitou L, y ∈ L. Použijeme-li to samé y jako v PROTI, pak je to stále disjunktní od X protože používáme stejný vztah prvků a nebyly přidány žádné nové sady.
- Axiom extenzivity: Dvě sady jsou stejné, pokud mají stejné prvky.
- Li X a y jsou v L a mají stejné prvky v L, poté Ljsou tranzitivní, mají stejné prvky (v PROTI). Takže jsou si rovni (v PROTI a tedy dovnitř L).
- Axiom prázdné množiny: {} je sada.
- {} = L0 = {y | y∈L0 a y=y} ∈ L1. Takže {} ∈ L. Vzhledem k tomu, že relace prvků je stejná a nebyly přidány žádné nové prvky, jedná se o prázdnou sadu L.
- Axiom párování: Pokud X, y jsou sady, pak {X,y} je sada.
- Li X ∈ L a y ∈ L, pak je zde několik řadových α takhle X ∈ Lα a y∈Lα. Pak {X,y} = {s | s ∈ Lα a (s = X nebo s = y)} ∈ Lα+1. Tím pádem {X,y} ∈ L a má stejný význam pro L pokud jde o PROTI.
- Axiom unie: Pro jakoukoli sadu X existuje sada y jejichž prvky jsou přesně prvky prvků X.
- Li X ∈ Lα, pak jsou jeho prvky Lα a jejich prvky jsou také v Lα. Tak y je podmnožinou Lα. y = {s | s ∈ Lα a existuje z ∈ X takhle s ∈ z} ∈ Lα+1. Tím pádem y ∈ L.
- Axiom nekonečna: Existuje sada X takový, že {} je v X a kdykoli y je v X, taková je i unie .
- Z transfinitní indukce, dostaneme to každý pořadový α ∈ Lα+1. Zejména, ω ∈ Lω+1 a tudíž ω ∈ L.
- Axiom oddělení: Vzhledem k jakékoli sadě S a jakýkoli návrh P(X,z1,...,zn), {X | X ∈ S a P(X,z1,...,zn)} je sada.
- Indukcí na dílčí vzorce z P, lze ukázat, že existuje α takhle Lα obsahuje S a z1,...,zn a (P je pravda v Lα kdyby a jen kdyby P je pravda v L (tomu se říká „princip odrazu ")). Tak {X | X ∈ S a P(X,z1,...,zn) drží se L} = {X | X ∈ Lα a X ∈ S a P(X,z1,...,zn) drží se Lα} ∈ Lα+1. Podmnožina je tedy v L.
- Axiom nahrazení: Vzhledem k jakékoli sadě S a jakékoli mapování (formálně definované jako propozice P(X,y) kde P(X,y) a P (X,z) naznačuje y = z), {y | tady existuje X ∈ S takhle P(X,y)} je sada.
- Nechat Q(X,y) být vzorec, který relativizuje P na L, tj. všechny kvantifikátory v P jsou omezeny na L. Q je mnohem složitější vzorec než P, ale stále je to konečný vzorec a od té doby P bylo mapování L, Q musí to být mapování PROTI; můžeme tedy použít náhradu v PROTI na Q. Tak {y | y ∈ L a existuje X ∈ S takhle P(X,y) drží se L} = {y | tady existuje X ∈ S takhle Q(X,y)} je sada v PROTI a podtřída L. Opět používám axiom nahrazení v PROTI, můžeme ukázat, že musí existovat α taková, že tato sada je podmnožinou Lα ∈ Lα+1. Pak lze použít axiom oddělení v L dokončit ukázku, že se jedná o prvek L.
- Axiom silové sady: Pro jakoukoli sadu X existuje sada y, takže prvky y jsou přesně podmnožiny X.
- Obecně platí, že některé podmnožiny sady v L nebude v L. Takže celá sada napájení je součástí L obvykle nebude v L. To, co zde potřebujeme, je ukázat, že křižovatka síly byla nastavena na L je v L. Použijte náhradu v PROTI ukázat, že existuje α takové, že průsečík je podmnožinou Lα. Pak je křižovatka {z | z ∈ Lα a z je podmnožinou X} ∈ Lα+1. Požadovaná sada je tedy v L.
- Axiom volby: Vzhledem k sadě X vzájemně disjunktních neprázdných sad existuje sada y (výběr nastaven na X) obsahující přesně jeden prvek od každého člena X.
- Lze ukázat, že existuje definovatelné uspořádání L ve které definici funguje stejně L sám. Jeden si tedy vybere nejmenší prvek každého člena X tvořit y pomocí axiomů sjednocení a oddělení v L.
Všimněte si, že důkaz, že L je model ZFC vyžaduje pouze to PROTI být modelem ZF, tj. my ano ne předpokládejme, že platí axiom výběru PROTI.
L je absolutní a minimální
Li Ž je jakýkoli standardní model ZF sdílející stejné pořadové řádky jako PROTI, pak L definované v Ž je stejný jako L definované v PROTI. Zejména, Lα je stejný v Ž a PROTI, pro všechny řadové α. A stejné vzorce a parametry v Def (Lα) produkují stejné konstruktivní sady v Lα+1.
Kromě toho od L je podtřída PROTI a podobně L je podtřída Ž, L je nejmenší třída obsahující všechny ordinály, což je standardní model ZF. Vskutku, L je průsečík všech těchto tříd.
Pokud existuje soubor Ž v PROTI to je standardní model ZF a ordinál κ je sada řadových čísel, které se vyskytují v Ž, pak Lκ je L z Ž. Pokud existuje sada, která je standardním modelem ZF, pak nejmenší taková sada je taková Lκ. Tato sada se nazývá minimální model ZFC. Pomocí dolů Löwenheim – Skolemova věta, lze ukázat, že minimální model (pokud existuje) je spočetná množina.
Každá konzistentní teorie samozřejmě musí mít model, takže i v rámci minimálního modelu teorie množin existují množiny, které jsou modely ZF (za předpokladu, že ZF je konzistentní). Tyto modely sady jsou však nestandardní. Zejména nepoužívají vztah normálních prvků a nejsou opodstatněné.
Protože oba L z L a PROTI z L jsou skutečné L a oba L z Lκ a PROTI z Lκ jsou skutečné Lκ, máme to PROTI = L je pravda v L a ve všech Lκ to je model ZF. Nicméně, PROTI = L neplatí v žádném jiném standardním modelu ZF.
L a velcí kardinálové
Protože Ord ⊂ L ⊆ PROTI, vlastnosti ordinálů, které závisí na absenci funkce nebo jiné struktury (tj. Π1ZF vzorce) se při přechodu z PROTI na L. Proto počáteční ordinály kardinálů zůstává v roce L. Řádní řadoví zůstat pravidelný v L. Slabý omezit kardinály stát se silným limitem kardinálů v L protože zobecněná hypotéza kontinua drží se L. Slabě nepřístupní kardinálové stát se silně nepřístupným. Slabě Mahlo kardinálové stát se silně Mahlo. A obecněji jakékoli velký kardinál vlastnost slabší než 0# (viz seznam velkých světových vlastností ) budou zachovány v L.
Nicméně 0# je v L i když je to pravda PROTI. Takže všichni velcí kardinálové, jejichž existence znamená 0# přestanou mít ty velké hlavní vlastnosti, ale zachovají si vlastnosti slabší než 0# které také vlastní. Například, měřitelní kardinálové přestanou být měřitelné, ale zůstanou v něm Mahlo L.
Pokud 0# drží se PROTI, pak existuje uzavřená neomezená třída ordinálů, které jsou nerozeznatelný v L. Zatímco některé z nich nejsou ani počátečními řadovými čísly PROTI, mají všechny velké hlavní vlastnosti slabší než 0# v L. Kromě toho jakákoli striktně rostoucí funkce třídy ze třídy nerozluční na sebe lze jedinečným způsobem rozšířit na základní vložení z L do L. To dává L pěkná struktura opakujících se segmentů.
L lze dobře objednat
Existuje několik způsobů, jak dobře objednat L. Některé z nich zahrnují "jemná struktura" z L, který poprvé popsal Ronald Bjorn Jensen ve svém příspěvku z roku 1972 nazvaném „Jemná struktura konstruktivní hierarchie“. Namísto vysvětlení jemné struktury uvedeme obrys toho, jak L lze dobře objednat pouze pomocí výše uvedené definice.
Předpokládat X a y jsou dvě různé sady L a chceme zjistit, zda X < y nebo X > y. Li X nejprve se objeví v Lα+1 a y nejprve se objeví v Lβ+1 a β se liší od α, pak nechte X < y kdyby a jen kdyby α < β. Od nynějška to předpokládáme β = α.
Pódium Lα+1 = Def (Lα) používá vzorce s parametry z Lα definovat množiny X a y. Pokud jedna sleva (prozatím) parametrů, lze vzorcům dát standard Gödelovo číslování přirozenými čísly. Li Φ je vzorec s nejmenším Gödelovým číslem, které lze použít k definování X, a Ψ je vzorec s nejmenším Gödelovým číslem, které lze použít k definování y, a Ψ se liší od Φ, pak nechte X < y kdyby a jen kdyby Φ < Ψ v číslování Gödel. Od nynějška to předpokládáme Ψ = Φ.
Předpokládejme to Φ používá n parametry z Lα. Předpokládat z1,...,zn je sled parametrů, které lze použít s Φ definovat X, a w1,...,wn dělá to samé pro y. Pak nechte X < y jen a jen pokud zn < wn nebo (zn = wn a zn − 1 < wn − 1) nebo (zn= wn a zn − 1 = wn − 1 a zn − 2 < wn − 2) atd. Tomu se říká naopak lexikografické objednávání; pokud existuje více sekvencí parametrů, které definují jednu ze sad, vybereme nejméně jednu v tomto pořadí. Rozumí se, že možné hodnoty každého parametru jsou řazeny podle omezení pořadí L na Lα, takže tato definice zahrnuje transfinitní rekurzi na α.
Správné uspořádání hodnot jednotlivých parametrů zajišťuje indukční hypotéza transfinitní indukce. Hodnoty n-tuple parametrů jsou dobře seřazeny podle objednávky produktu. Vzorce s parametry jsou dobře seřazené podle objednaného součtu (podle Gödelových čísel) pořadí. A L je dobře seřazené podle objednané částky (indexováno α) objednávek dne Lα+1.
Všimněte si, že toto objednávání lze definovat uvnitř L sám vzorcem teorie množin bez parametrů, pouze s volnými proměnnými X a y. A tento vzorec dává totéž pravdivostní hodnota bez ohledu na to, zda je hodnocena v L, PROTInebo Ž (nějaký jiný standardní model ZF se stejnými řadovými čísly) a budeme předpokládat, že vzorec je nepravdivý, pokud existuje X nebo y není v L.
Je dobře známo, že axiom výběru je ekvivalentní schopnosti dobře uspořádat každou sadu. Umět správně objednat správnou třídu PROTI (jak jsme to udělali s L) je ekvivalentní s axiom globální volby, který je silnější než obyčejný axiom volby protože také pokrývá správné třídy neprázdných množin.
L má princip odrazu
Dokazující, že axiom oddělení, axiom nahrazení, a axiom volby vydrž L vyžaduje (alespoň jak je uvedeno výše) použití a princip odrazu pro L. Zde popisujeme takový princip.
Indukcí dne n < ω, můžeme použít ZF v PROTI dokázat, že pro všechny řadové α, existuje ordinál β > α tak, že pro jakoukoli větu P(z1,...,zk) s z1,...,zk v Lβ a obsahující méně než n symboly (počítá konstantní symbol pro prvek Lβ jako jeden symbol) to dostaneme P(z1,...,zk) drží se Lβ jen když to drží L.
Zobecněná hypotéza kontinua platí L
Nechat a nechte T být libovolnou konstruovatelnou podmnožinou S. Pak je tu pár β s , tak , pro nějaký vzorec Φ a nějaký vybrané z . Směrem dolů Löwenheim – Skolemova věta a Mostowski se zhroutil, musí existovat nějaká tranzitivní množina K. obsahující a nějaký , a mají stejnou teorii prvního řádu jako s nahrazuje ; a tohle K. bude mít stejného kardinála jako . Od té doby je pravda v , je to také pravda v K., tak pro některé y se stejným kardinálem jako α. A protože a mají stejnou teorii. Tak T je ve skutečnosti v .
Takže všechny konstruovatelné podmnožiny nekonečné množiny S mají hodnosti s (maximálně) stejným kardinálem κ jako hodnost S; z toho vyplývá, že pokud δ je počáteční pořadové číslo pro κ+, pak slouží jako "výkonová sada" S v rámci L. Tato „sada energie“ . A to zase znamená, že "výkonová sada" z S má nejvýše kardinál ||δ||. Za předpokladu S sám má kardinál κ, „power set“ pak musí mít kardinál přesně κ+. Ale to je přesně to zobecněná hypotéza kontinua relativizováno na L.
Sestavitelné množiny jsou definovatelné z řadových čísel
Existuje vzorec teorie množin, který vyjadřuje myšlenku, že X = Lα. Má pouze volné proměnné pro X a α. Pomocí toho můžeme rozšířit definici každé konstruovatelné množiny. Li s ∈ Lα+1, pak s = {y | y ∈ Lα a Φ(y,z1,...,zn) drží v (Lα, ∈)} pro nějaký vzorec Φ a nějaký z1,...,zn v Lα. To odpovídá tvrzení: pro všechny y, y ∈ s právě když [existuje X takhle X =Lα a y ∈ X a Ψ(X,y,z1,...,zn)] kde Ψ(X, ...) je výsledkem omezení každého kvantifikátoru v Φ(...) do X. Všimněte si, že každý zk ∈ Lβ+1 pro některé β < α. Zkombinujte vzorce pro zmá vzorec pro s a použít existenční kvantifikátory přes zje venku a jeden dostane vzorec, který definuje konstruktivní množinu s pouze za použití řadových čísel α které se objevují ve výrazech jako X = Lα jako parametry.
Příklad: Sada {5,ω} je konstruovatelný. Je to jedinečná sada s který splňuje vzorec:
kde je zkratka pro:
Vlastně i tento složitý vzorec byl zjednodušen z toho, co by přinesly pokyny uvedené v prvním odstavci. Jde ale o to, že existuje vzorec teorie množin, který platí pouze pro požadovanou konstruovatelnou množinu s a který obsahuje parametry pouze pro řadové číslovky.
Relativní konstruovatelnost
Někdy je žádoucí najít model teorie množin, který je úzký L, ale to zahrnuje nebo je ovlivněno množinou, která není konstruovatelná. To vede ke konceptu relativní konstruovatelnosti, který má dvě příchutě, označené L(A) a L[A].
Třída L(A) pro neproveditelnou sadu A je průsečík všech tříd, které jsou standardními modely teorie množin a obsahují A a všichni řadoví.
L(A) je definován transfinitní rekurze jak následuje:
- L0(A) = nejmenší tranzitivní sada obsahující A jako prvek, tj přechodné uzavření z { A }.
- Lα+1(A) = Def (Lα(A))
- Li λ je tedy limitní pořadové číslo .
- .
Li L(A) obsahuje řádné uspořádání přechodného uzavření A, toto lze rozšířit na řádné řazení L(A). Jinak axiom výběru selže L(A).
Běžným příkladem je , nejmenší model, který obsahuje všechna reálná čísla, který se v moderní době hojně používá deskriptivní teorie množin.
Třída L[A] je třída souborů, jejichž konstrukce je ovlivněna A, kde A může být (pravděpodobně neproveditelná) množina nebo vlastní třída. Definice této třídy používá DefA (X), což je stejné jako Def (X) až na to, že místo hodnocení pravdivosti vzorců Φ v modelu (X, ∈), jeden používá model (X,∈,A) kde A je unární predikát. Zamýšlený výklad A(y) je y ∈ A. Pak definice L[A] je přesně to L pouze s Def nahrazen DefA.
L[A] je vždy modelem axiomu výběru. I kdyby A je sada, A není nutně sám členem L[A], ačkoli vždy je, pokud A je sada řadových čísel.
Sady v L(A) nebo L[A] obvykle nejsou ve skutečnosti konstruovatelné a vlastnosti těchto modelů se mohou zcela lišit od vlastností L sám.
Viz také
- Axiom konstruovatelnosti
- Prohlášení pravdivá v L
- Princip reflexe
- Axiomatická teorie množin
- Přechodná sada
- L (R)
- Pořadové definovatelné
Poznámky
Reference
- Barwise, Jon (1975). Přípustné sady a struktury. Berlín: Springer-Verlag. ISBN 0-387-07451-1.
- Devlin, Keith J. (1984). Stavitelnost. Berlín: Springer-Verlag. ISBN 0-387-13258-9.
- Felgner, Ulrich (1971). Modely teorie množin ZF. Přednášky z matematiky. Springer-Verlag. ISBN 3-540-05591-6.
- Gödel, Kurt (1938). „Konzistence axiomu volby a generalizované hypotézy kontinua“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. Národní akademie věd. 24 (12): 556–557. doi:10.1073 / pnas.24.12.556. JSTOR 87239. PMC 1077160. PMID 16577857.
- Gödel, Kurt (1940). Konzistence hypotézy kontinua. Annals of Mathematics Studies. 3. Princeton, N. J .: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07927-1. PAN 0002514.
- Jech, Thomas (2002). Teorie množin. Springer Monografie z matematiky (3. tisíciletí ed.). Springer. ISBN 3-540-44085-2.