Телевизор 

Аксиоматическая теория множеств. Аксиоматика теории множеств

Введение

Значение математической логики в нашем и прошлом столетии сильно возросло. Главной причиной этого явилось открытие парадоксов теории множеств и необходимость пересмотра противоречивой интуитивной теории множеств. Было предложено много различных аксиоматических теорий для обоснования теории множеств, но как бы они не отличались друг от друга своими внешними чертами, общее для всех них содержание составляют те фундаментальные теоремы, на которые в своей повседневной работе опираются математики. Выбор той или иной из имеющихся теорий является в основном делом вкуса; мы же не предъявляем к системе, которой будем пользоваться, никаких требований, кроме того, чтобы она служила достаточной основой для построения современной математики.

§1. Система аксиом

Опишем теорию первого порядка NBG, которая в основном является системой того же типа, что и система, предложенная первоначально фон Нейманом , , а затем тщательно пересмотренная и упрощенная Р. Робинсоном , Бернайсом и Гёделем . (Будем в основном следовать монографии Гёделя, хотя и с некоторыми важными отклонениями.) Теория NBG имеет единственную предикатную букву

и не имеет ни одной функциональной буквы или предметной константы. Чтобы быть ближе к обозначениям Бернайса и Гёделя , мы будем употреблять в качестве переменных вместо x1, x2, … прописные латинские буквы X1, Х2, ... (Как обычно, мы используем буквы X, Y, Z, ... для обозначения произвольных переменных.) Мы введем также сокращенные обозначения ХY для(X, Y) и XY для (X, Y). Содержательно знак понимается как символ отношения принадлежности.

Следующим образом определим равенство:

Определение. Х=Y служит сокращением для формулы

.

Таким образом, два объекта равны тогда и только тогда, когда они состоят из одних и тех же элементов.

Определение.

служит сокращением для формулы (включение).

Определение. X

Y служит сокращением для Х Y & X ≠ Y (собственное включение).

Из этих определений легко следует

Предложение 1.

Х = Y (X Y & Y X); Х = Х; Х = Y Y = Х; Х = Y (Y = Z Х = Z); Х = Y (ZX ZY).

Теперь приступим к перечислению собственных аксиом теории NBG, перемежая формулировки самих аксиом различными следствиями из них и некоторыми дополнительными определениями. Предварительно, однако, отметим, что в той «интерпретации», которая здесь подразумевается, значениями переменных являются классы. Классы - это совокупности, соответствующие некоторым, однако отнюдь не всем, свойствам (те свойства, которые фактически определяют классы, будут частично указаны в аксиомах. Эти аксиомы обеспечивают нам существование необходимых в математике классов и являются, достаточно скромными, чтобы из них нельзя было вывести противоречие). (Эта «интерпретация» столь же неточна, как и понятия «совокупность», «свойство» и т. д.)

Назовем класс множеством, если он является элементом какого-нибудь класса. Класс, не являющийся множеством, назовем собственным классом.

Определение. M(X) служит сокращением для

Y(XY) (X есть множество).

Определение. Pr(X) служит сокращением для

M(X) (X есть собственный класс).

В дальнейшем увидим, что обычные способы вывода парадоксов приводят теперь уже не к противоречию, а всего лишь к результату, состоящему в том, что некоторые классы не являются множествами. Множества предназначены быть теми надежными, удобными классами, которыми математики пользуются в своей повседневной деятельности; в то время как собственные классы мыслятся как чудовищно необъятные собрания, которые, если позволить им быть множествами (т. е. быть элементами других классов), порождают противоречия.

Система NBG задумана как теория, трактующая о классах, а не о предметах. Мотивом в пользу этого послужило то обстоятельство, что математика не нуждается в объектах, не являющихся классами, вроде коров или молекул. Все математические объекты и отношения могут быть выражены в терминах одних только классов. Если же ради приложений в других науках возникает необходимость привлечения «неклассов», то незначительная модификация системы NBG позволяет применить ее равным образом как к классам, так и к «неклассам» (Мостовский ).

Мы введем строчные латинские буквы x1, x2, … в качестве специальных, ограниченных множествами, переменных. Иными словами,

x1 A (x1) будет служить сокращением для X (M(X)A (X)) , что содержательно имеет следующий смысл: «A истинно для всех множества, и x1 A (x1) будет служить сокращением для X (M(X)A (X)), что содержательно имеет смысл: «A истинно для некоторого множества». Заметим, что употребленная в этом определении переменная X должна быть отличной от переменных, входящих в A (x1). (Как и обычно, буквы х, y, z, ... будут употребляться для обозначения произвольных переменных для множеств.)

П р и м е р. Выражение

ХхyZA (X, х, y, Z) служит сокращением для ХXj (М(Xj)Y(M(Y)&ZA (X, Xj, Y, Z))).

А к с и о м а Т. (Аксиома объемности.) Х = Y

I. Основные понятия и аксиомы теории множеств

За тысячи лет своего существования от простейших представлений о числе и фигуре математики пришла к образованию многих новых понятий и методов. Она превратилась в мощное средство изучения природы и гибкое орудие практики. XX век принес математике новые идеи, теории, расширилась сфера её применения. Математика занимает особое положение в системе наук - её нельзя отнести ни к гуманитарным, ни к естественным наукам. Но она ввела те основные понятия, которые используются в них. Таким понятием является понятие «множество», которое впервые возникло в математике и в настоящее время является общенаучным.

Первый набросок теории множеств принадлежит Бернарду Больцано («Парадоксы бесконечного», 1850). В этой работе рассматриваются произвольные (числовые) множества, и для их сравнения определено понятие взаимно-однозначного соответствия.

В конце 19 века Георг Кантор, немецкий математик, основоположник теории множеств, дал интуитивное определение понятию «множеству» так: «Множество есть многое, мыслимое как единое целое» . Такое определение множества потребовало введения трех символов .

Первый из них должен представлять множество как нечто «единое», т.е. являться представителем самого множества. В качестве такого символа принято применять любую прописную букву какого-либо алфавита: например, обозначать множества прописными буквами латинского алфавита А, В, …, Х или какого-либо другого по соглашению.

Второй символ должен представлять «многое», то есть рассматриваться как элемент множества. В качестве этого символа принято использовать строчные буквы этого же алфавита: a, b, …, z.

Третий символ должен однозначно соотнести элемент множеству. В качестве соответствующего символа определен знак , который происходит от первой буквы греческого слова (быть). Запись определяет отношение: х есть элемент Х. Для того чтобы указать, что х не есть элемент Х, пишут .

Стоит отметить, что такое определение понятия множества приводит к ряду внутренних противоречий теории - так называемым парадоксам.

Например, рассмотрим парадокс Рассела. Парикмахер
(элемент х), проживающий в некоторой деревне, которые не бреются сами (пусть Х - множество всех тех и только тех жителей данной деревни, которые не бреются сами). Бреет ли парикмахер самого себя? То есть или ? Ответить на вопрос невозможно, поскольку полагая, например, что , сразу приходим к противоречию: , и обратно.

В школьном курсе математики учащимися рассматривается понятие множества, как неопределяемое понятие, под которым понимается совокупность объектов окружающей нас действительности, мыслимую как единое целое. А каждый объект этой совокупности называют элементом данного множества .

На настоящее время существует несколько аксиоматических систем теории множеств:

Система аксиом Цермело. К этой системе аксиом часто добавляют аксиому выбора, и называют системой Цермело — Френкеля с аксиомой выбора (ZFC).

Аксиомы теории NBG. Данная система аксиом, предложенная фон Нейманом, впоследствии пересмотренная и упрощенная Робинсоном, Бернайсом и Геделем.

Система Цермело (Z-система) состоит из 7 аксиом. Опишем данные аксиомы в тех рамках, в которых они используются в школьном курсе математики.

Аксиома объемности (Z1). Если все элементы множества А принадлежат множеству В, а все элементы множества В принадлежат также множеству А, то А=В.

Для пояснения данной аксиомы нам необходимо использовать термин «подмножество»: Если каждый элемент множества A является элементом множества Z, то говорят, что А - подмножество Z, и пишут . Символ именуется «включение». Если не исключается возможность ситуации, когда Z=A, то для того чтобы акцентировать на этом внимание, пишут .

Введя термин «подмножество», сформулируем аксиому 1 в символьном виде: .

Аксиома пары (Z2). Для произвольных a и b существует множество, единственными элементами которого являются {a,b}.

Данная аксиома используется при пояснении декартова произведения множеств, где первоначальным понятием является «упорядоченная пара». Под упорядоченной парой понимают совокупность двух элементов, каждый из которых занимает в записи определенное место. Обозначают упорядоченную пару так: (а,b).

Аксиома суммы (Z3). Для произвольных множеств А и В существует единственное множество С, элементами которого являются все элементы множества А и все элементы множества В и которое никаких других элементов больше не содержит.

В символьном виде аксиому Z3 можно записать так: . На основании данной аксиомы и вытекающих из неё теорем указываются свойства операций множеств, описание которых будут изложены в пункте 3. Аксиомы Z1 и Z2 позволяют нам ввести понятие операции объединения, пересечения, дополнение, разности множеств.

Аксиома степени (Z4). Для любого множества Х существует множество всех его подмножеств Р(Х).

Аксиома бесконечности (Z6). Существует, по крайней мере, одно бесконечное множество - натуральный ряд чисел.

Аксиома выбора (Z7) . Для всякого семейства непустых множеств существует функция, которая каждому множеству семейства сопоставляет один из элементов этого множества. Функция называется функцией выбора для заданного семейства.

Стоит отметить важность соответствующих аксиом, так как множества и отношения между ними являются предметом изучения любой математической дисциплины.

Укажем ещё одно важное открытие в теории множеств - изображение отношений между подмножествами, для наглядного представления . Одним из первых, кто пользовался этим методом, был выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц. Затем этот метод довольно основательно развил и Леонард Эйлер. После Эйлера этот же метод разрабатывал чешский математик Бернард Больцано. Только в отличие от Эйлера он рисовал не круговые, а прямоугольные схемы. Методом кругов Эйлера пользовался и немецкий математик Эрнест Шредер. Но наибольшего расцвета графические методы достигли в сочинениях английского логика Джона Венна. В честь Венна вместо кругов Эйлера соответствующие рисунки называют иногда диаграммами Венна, а в некоторых книгах их называют также диаграммами Эйлера-Венна . Диаграммы Эйлера-Венна используются не только в математике и логике, но и в менеджменте и других прикладных направлениях.

II. Отношения между множествами и способы их задания

Итак, под множествами понимается совокупность любых объектов, мыслимая как единое целое. Множества могут состоять их объектов самой различной природы. Их элементами могут быть буквы, атомы, числа, уравнения, точки, углы и т. д. Именно этим объясняется чрезвычайная широта теории множеств и ее приложение к самым разнообразным областям знания (математике, физике, экономике, лингвистике и т. д.).

Считают, что множество определяется своими элементами, то есть множество задано, если о любом объекте можно сказать, принадлежит он этому множеству или не принадлежит. Различают два способа задания множеств.

  1. перечисления элементов .

Например, если множество А состоит из элементов а, b, с, то пишут: А = {a, b, c}.

Не каждое множество можно задать с помощью перечисления элементов. Множества, все элементы которых можно перечислить называют конечными. Множества, все элементы которых нельзя перечислить называют бесконечными. Их нельзя задать с помощью перечисления элементов. Исключение составляют бесконечные множества, в которых ясен порядок образование каждого следующего элемента на основе предыдущего. Например, множество натуральных чисел - бесконечное множество. Но известно, что в нем каждое следующее число, начиная со второго, на 1 больше предыдущего. Поэтому можно задать так N = {1, 2, 3, 4, …}.

  1. Множество можно задать с помощью указания характеристического свойства.

Характеристическим свойством данного множества называется свойство, которым обладают все элементы этого множества и не обладают ни один, не принадлежащий ему элемент. Обозначается: А = {x|…}, где после вертикальной черты записывается характеристическое свойство элементов данного множества.

Например, В={1,2,3}. Нетрудно заметить, что каждый элемент множества В - натуральное число, меньшее 4. Именно это свойство элементов множества В является для него характеристическим. В этом случае пишут: и читают: «Множество В состоит из таких элементов х, что х принадлежит множеству натуральных чисел и х меньше четырех» или множество В состоит из натуральных чисел, меньших 4. Множество В можно задать и по - другому: или , и т.д.

При этом, если элемент не подчиняется характеристическому свойству множества, то он данному множеству и не принадлежит. Существуют множества, которые можно задать только с помощью указания характеристического свойства, например, .

Особую важность в школьном курсе математике имеют числовые множества , т.е. множества, элементами которого являются числа . Для названия числовых множеств в математике приняты специальные обозначения:

N = {1, 2, 3, 4, …} - множество натуральных чисел;

Z = {…,-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, …} - множество целых чисел (содержит все натуральные числа и числа, им противоположные);

Q = {x | x=p/q, где p∈Z, q∈N} - множество рациональных чисел (состоит из чисел, допускающих представление в виде обыкновенной дроби);

J - множество иррациональных чисел (множество, состоящее из бесконечных десятичных непериодических дробей, например: 1,23456342 …;, и др.)

R = (-∞; +∞) - множество действительных чисел.

Множество всех действительных чисел Л. Эйлер изобразил с помощью кругов. (Рис. 1)

Cтоит отметить, что все любые числовые множества можно задать с помощью числового промежутка. (Рис. 2)

Типы числовых промежутков


Множество С, рассмотренное выше, это числовое множество и его можно указать с помощью числового промежутка (Рис. 3)

Рисунок 3 - Числовой промежуток

Укажем еще одно важное правило для задания числовых множеств: Конечные числовые множества изображаются на числовой прямой отдельными точками.

В математике иногда приходится рассматривать множества, содержащие только один элемент, и даже множества, не имеющие ни одного элемента. Множество, не содержащее ни одного элемента, называют пустым . Его обозначают знаком ∅. Например, дано множество A={x|x∈N∧-2

Стоит отметить, когда речь идет о двух и более множествах, то между ними могут быть какие-либо отношения или нет. Если множества находятся в каких-либо отношениях, то речь идет или об отношении равенства или отношении включении .

Множество А включается во множество В, если каждый элемент множества А принадлежит множеству В. Обозначается данное отношение так: A⊂B. Или, по-другому говорят, что множество А является подмножеством множества В.

Множества А и В называются равными , тогда и только тогда, когда каждый элемент множества А принадлежит множеству В и вместе с этим каждый элемент множества В принадлежит множеству А. Обозначается данное отношение так: А=В

Например:

1) A={a,b,c,d} и B={b,d}, эти множества находятся в отношении включения B⊂A, т.к. каждый элемент множества В принадлежит множеству А.

2) M={x|x∈R∧x<6}=(-∞;6) и K{x|x∈R∧x≤8}=(-∞;8], эти множества находятся в отношении включения M⊂K, т.к. каждый элемент множества M принадлежит множеству K (Рис. 4)

Рисунок 4 - Числовой промежуток

3) A={x|x∈N∧x:2}={2,4,6,8,10,...} и B={x|x∈N∧x:3}={3,6,9,12,...}, эти два множества не находятся ни в каких отношениях A⊄B, так как во множестве А есть элемент 2, не принадлежащий множеству В

и B⊄A, т.к. во множестве В есть элемент 3, не принадлежащий множеству А.

Следовательно, данные множества не находятся ни в каких отношениях.

III. Операции и свойства операций над множествами

Опр.1. Пересечением множеств А и В называется операция, результатом которой является множество, состоящее из тех и только тех элементов, которые принадлежат и А и В одновременно.

A∩B={x|x∈A∧x∈B}

Опр.2. Объединением множеств А и В называется операция, результатом которой является множество, состоящее из тех и только тех элементов, которые принадлежат множеству А или множеству В (т.е. хотя бы одному из этих множеств).

A∪B={x|x∈A∨x∈B}

Опр.3. Разностью множеств А и В называется операция, результатом которой является множество, состоящее из тех и только тех элементов, которые принадлежат А и не принадлежат В одновременно.

А\ В ={x∈A∧x∉B}

Опр.4. Дополнением множества А до универсального множества называется множество, каждый элемент которого принадлежит универсальному и не принадлежит А.

Выражения с множествами

Из множеств, знаков операций над ними и, может быть, скобок можно составлять выражения. Например, А∩В\С.

Необходимо знать порядок выполнения операций в таких выражениях и уметь их читать.

Порядок выполнения операций

    если нет скобок, то в первую очередь выполняется дополнение до универсального множества простого множества, затем пересечение и объединение (они равноправны между собой), в последнюю очередь - разность;

    если в выражении есть скобки, то сначала выполняют операции в скобках по порядку, приведенному в пункте 1), а затем все операции за скобками.

Например, а) А∩В\С; б) А∩(В\С); в) А∩(В\С)" .

Чтение выражения начинается с результата последней операции. Например, выражение а) читается так: разность двух множеств, первое из которых пересечение множеств А и В, а второе - множество С.

Круги Эйлера

Операции над множествами и отношения между ними можно изобразить с помощью кругов Эйлера. Это специальные чертежи, на которых обычные множества изображаются кругами, универсальное множество - прямоугольником

Задача. Изобразить с помощью кругов Эйлера множество (А∪В)"∩С.

Решение. Расставим порядок выполнения операций в данном выражении: (А∪В)"∩С. Заштрихуем результаты операций согласно порядку их выполнения

Свойства операции над множествами (рис.5)

Свойства I - 8 и 1 0 - 8 0 связаны между собой гак называемым принципом двойственности:

если в любом из двух столбиков свойств поменять знаки ∩→∪, ∪→∩, ∅→U, U→∅, то получится другой столбик свойств.

IV. Разбиение множества на классы

Считают, что множество Х разбито на попарно непересекающиеся подмножества или классы, если выполнены следующие условия:

1) пересечение любых двух подмножеств пусто;

2) объединение всех подмножеств совпадает с множеством Х.

Разбиение множества на классы называют классификацией.

V. Декартово произведение множеств

Декартовым произведением множеств А и В называется множество пар, первая компонента каждой из которых принадлежит множеству А, а вторая — множеству В Декартово произведение множеств А и В обозначают А х В. Таким образом, А×В={(x,y)|x∈A˄y∈B}. Операцию нахождения декартова произведения множеств А и В называют декартовым умножением этих множеств. Если А и В — числовые множества, то элементами декартова произведения этих множеств будут упорядоченные пары чисел.

VI. Правила суммы и произведения

Обозначим число элементов конечного множества A символом n(A). Если множества А и В не пересекаются, то n(AUВ)= n(А) +n (В). Если множества А и В пересекаются, то n(А U В) = n (A) + n (В) — n (A ∩ В).

Число элементов декартова произведения множеств A и В подсчитывается по формуле n (А X В) = n (A) . n (В).

Правило подсчета числа элементов объединения непересекающихся конечных множеств в комбинаторике носит название прави-ла суммы, если элемент х можно выбрать k способами, а элемент у — m способами, причем ни один из способов выбора элемента х не совпадает со способом выбора элемента у, то выбор «х или у» можно осуществить k + m способами.

Правило подсчета числа элементов декартова произведения конечных множеств в комбинаторике носит название правила произведения: если элемент х можно выбрать k способами, а элемент y - m способами, то пару (х,y) можно выбрать km способами.

VII. Список использованных источников

    Асеев Г.Г. Абрамов О.М., Ситников Д.Э. Дискретная математика: Учебное пособие. - Ростов н/Д: «Феникс», Харьков: «Торсинг», 2003, -144с.

    Виленкин Н. Я. Алгебра. Учебное пособие для IX - X классов средних школ с математической специализацией, 1968

    Виленкин Н.Я. Рассказы о множествах. М.: Изд-во «Наука». - 1965. - 128с

    Диаграммы Эйлера - Венна.URL:http://studopedia.net/1_5573_diagrammi-eylera-venna.html

    Киреенко С.Г., Гриншпон И. Э. Элементы теории множеств (учебное пособие). - Томск, 2003. - 42 с.

    Куратовский К., Мостовский А. Теория множеств. - М.: Мир, 1970, - 416с.

Аксиоматика теории множеств

Пояснение к аксиомам ZFC

Аксиомы ZFC включают в себя:

0) группу высказываний о равенстве множеств (1 аксиома),

1) группу высказываний о существовании множеств (2 аксиомы),

2) группу высказываний об образовании множеств из уже имеющихся множеств (3 аксиомы и 2 схемы), в которой можно выделить три подгруппы,

3) группу высказываний об упорядоченности образованных множеств (2 аксиомы).

0. Критерий равенства множеств в ZFC

Следующее высказывание выражает необходимое условие идентичности двух множеств.

Аксиома экстенсиональности (Аксиома объёмности)

Примечание

«Аксиому объёмности» можно сформулировать следующим образом: «Если каждый элемент первого множества принадлежит второму множеству, а каждый элемент второго множества принадлежит первому множеству, тогда первое множество идентично второму [множеству].»

Достаточное условие идентичности двух множеств имеет вид и выводится из аксиом предиката , а именно:

, , где - любое математически корректное суждение об , а - то же самое суждение, но об .

Соединение указанного достаточного условия [идентичности множеств] с аксиомой объёмности даёт следующий критерий равенства множеств:

1. Аксиомы ZFC о существовании множеств

«Аксиома объёмности» была бы бесполезным высказыванием, если бы не существовало ни одного множества или существовало только одно множество.

Следующие два высказывания гарантируют существование по меньшей мере двух разных множеств, а именно: а) множества, в котором нет ничего, и б) множества, содержащего бесконечное количество элементов.

Примечание

«Аксиому [существования] пустого множества» можно сформулировать следующим образом: «Существует [по меньшей мере одно] множество без единого элемента.»

Доказывается, что «аксиома пустого множества» равносильна высказыванию . Поэтому единственному множеству можно присвоить имя. Употребительны два имени: и . Используя указанные имена, «аксиому пустого множества» записывают так:

и , где

Примечание

«Аксиому бесконечности» можно сформулировать следующим образом: «Существует [по меньшей мере одно] „бесконечное множество“, которое состоит из .»

Высказывание о существовании бесконечного множества отличается от (ложного в данной аксиоматике) высказывания о существовании «множества всех множеств» ().

2. Аксиомы ZFC об образовании множеств

Следующие пять высказываний можно назвать аксиомами образования множеств [из имеющихся множеств, включая и по меньшей мере одну ].

Каждое из этих пяти высказываний создано на основе высказывания , которое выводится из аксиом предиката .

Эти пять высказываний можно объединить в следующие подгруппы:

2.0) группу постулатов об образовании множеств путём перечисления их элементов,

2.1) группу деклараций об учреждении и об упразднении семейств множеств,

2.2) группу схем образования множеств с помощью математически корректных суждений.

2.0. Постулаты об образовании множеств путём перечисления их элементов

Простейший способ образовать новое множество [из уже имеющихся множеств] состоит в том, чтобы «ткнуть пальцем» в каждое множество, которое должно стать элементом [образуемого множества]. В ZFC указанный способ образования множеств представлен одной аксиомой, в которой «тыканье пальцем» моделируется с помощью предиката .

, что есть

Примечание

«Аксиому [неупорядоченной] пары» можно сформулировать следующим образом: «Из любых двух множеств можно образовать „неупорядоченную пару“, то есть такое множество , каждый элемент которого идентичен данному множеству или данному множеству ».

Примеры

Доказывается, что «аксиома пары» равносильна высказыванию . Поэтому единственному множеству можно присвоить имя . Используя указанное имя, «аксиому пары» записывают так:

или

Следующие две аксиомы, именуемые «аксиомой множества подмножеств» и «аксиомой объединения», можно рассматривать как естественное дополнение к «аксиоме пары». Чтобы убедиться в этом, заметим следующее.

Известно, что каждое множество имеет подмножества , включая [копию пустого множества] и [копию самого множества] . Иначе говоря,

.

Руководствуясь «аксиомой пары», из названных подмножеств можно образовать неупорядоченную пару . Назовём эту пару семейством .

Если можно образовать семейство из двух подмножеств множества , тогда можно объявить об образовании семейства из всех подмножеств множества .

Чтобы объявить об образовании семейства достаточно потребовать, чтобы каждый элемент названного семейства был подмножеством множества , а каждое подмножество названного множества было элементом семейства . Иначе говоря, , что равносильно предложению , , .

Если можно объявить об учреждении семейства , тогда можно объявить об упразднении названного семейства.

Мыслимы различные способы упразднения семейства , включая: 1) его полное упразднение (уничтожение), то есть , что равносильно , 2) его фиктивное упразднение (резервирование), то есть , что равносильно , 3) его реверсивное упразднение (расформирование), то есть , что равносильно . Поскольку , постольку предложение равносильно предложению , которое подразумевает предложение , которое является частным случаем высказывания .

Из изложенного следует, что высказывания и можно считать независимыми условно.

2.1.0 Аксиома множества подмножеств (Аксиома булеана)

, что есть , где

Примечание

«Аксиому множества подмножеств» можно сформулировать следующим образом: «Из любого множества можно образовать „суперкучу“, то есть такое множество , каждый элемент которого является [собственным либо несобственным] подмножеством данного множества .»

Примеры , так как

Доказывается, что «аксиома множества подмножеств» равносильна высказыванию . Поэтому единственному множеству можно присвоить имя , которое произносится: «множество всех подмножеств [множества] » или «булеан [множества] ». Используя указанное имя, «аксиому множества подмножеств» записывают так:

или , что есть

Примечание

Аксиому объединения [множеств] можно сформулировать следующим образом: «Из любого семейства множеств можно образовать „кучу-малу“, то есть такое множество , каждый элемент которого принадлежит по меньшей мере одному множеству данного семейства ».

Примеры

Доказывается, что аксиома объединения равносильна высказыванию . Поэтому единственному множеству можно присвоить имя , которое произносится: «объединение множеств семейства ». Используя указанное имя, аксиому объединения записывают так:

или .

Объединение множеств семейства () не следует путать с пересечением множеств семейства (), о котором известно:

, то есть

2.2. Схемы образования множеств с помощью математически корректных суждений

Среди математических высказываний встречаются аксиомы связи, включая:

а) аксиому связи между алгебраической операцией (сложить) и алгебраической операцией (умножить)

,

б) аксиому связи между отношением порядка (меньше или равно) и алгебраической операцией (сложить)

Следующие два высказывания, именуемые «схемой выделения» и «схемой преобразования», являются аксиомами связи между множествами (например, множеством ) и математически корректными суждениями (например, суждением ).

«Схема выделения» и «схема преобразования» выражают следующую простую мысль: «Каждое математически корректное суждение об элементах любого множества приводит к образованию [того же самого или другого] множества.»

Математически корректные суждения, фигурирующие в «схеме выделения», позволяют «довести [до товарного вида]» множества, которые образованы, например, с помощью аксиомы булеана. Поэтому указанные математические суждения аналогичны штихелям, надфелям, часовым отвёрткам и иным доводочным инструментам.

Математически корректные суждения, фигурирующие в «схеме преобразования», позволяют создавать «[математические] изделия» из ["неотёсанных"] множеств, образованных, например, с помощью аксиомы булеана. Поэтому указанные математические суждения аналогичны прецизионным станкам.

, что есть , где - любое математически корректное суждение о , но не о множестве и не о множестве .

Примечание

Схему выделения [подмножеств] можно сформулировать следующим образом: «Из каждого множества можно выделить [по меньшей мере одно] подмножество , высказав суждение о каждом элементе данного множества .»

Примеры

Доказывается, что схема выделения равносильна высказыванию . Поэтому единственному подмножеству можно присвоить имя . Используя указанное имя, схему выделения записывют так:

или

Схема выделения равносильна счётному множеству аксиом.

, что есть

Примечание

Схему преобразования [множеств] можно сформулировать следующим образом: «Любое множество можно преобразовать в [то же самое или другое] множество , высказав любое истинное математически корректное функциональное суждение обо всех элементах данного множества .»

Примеры

Доказывается, что в схеме преобразования множество единственно. Поэтому указанному множеству можно присвоить имя . Используя указанное имя, схему преобразования записывают так:

или

Схема преобразования равносильна счётному множеству аксиом.

3. Аксиомы ZFC об упорядоченности множеств

Следующие два высказывания определяют упорядоченность множеств, которые образованы из и каждой с помощью аксиом образования множеств. Образно говоря, высказывания об упорядоченности множеств образуют «сортировочный цех» теории ZFC, тогда как высказывания об образовании множеств образуют «производственный цех» этой теории.

Примечание

«Аксиому регулярности» можно сформулировать следующим образом: «В любом семействе множеств есть [по меньшей мере одно] множество , каждый элемент которого не принадлежит данному семейству .»

Примеры Сравните с высказываниями и , а также . Сравните с высказываниями и . Сравните с высказываниями и .

Примечание

«Аксиому выбора» можно сформулировать следующим образом: «Из любого семейства непустых попарно непересекающихся множеств можно выбрать „делегацию“, то есть такое множество , в котором есть по одному элементу от каждого множества данного семейства .»

Пример Предположим, что семейство образовано из множества неотрицательных чётных чисел и множества неотрицательных нечётных чисел. В таком случае, выполнены все условия «аксиомы выбора», а именно: , , . Следовательно, можно образовать по меньшей мере одну «делегацию» в составе одного «делегата» (например, нуля) от множества и одного «делегата» (например, единицы) от множества . Действительно: . .

Примечания

1. Если ZFC непротиворечива, то ее непротиворечивость не может быть доказана средствами ZFC, согласно второй теореме Гёделя.

АКСИОМАТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ МНОЖЕСТВ

Направление в математич. логике, занимающееся изучением фрагментов содержательной теории множеств методами математич. логики. Обычно с этой целью фрагменты теории множеств оформляются в виде формальной аксиоматич. теории. В более узком смысле термин "А. т. м." может служить для обозначения к.-л. формальной аксиоматич. теории, направленной на построение нек-рого фрагмента содержательной ("наивной") теории множеств.

Теория множеств, возникшая на рубеже 19-20 вв., уже в самом начале своего развития натолкнулась на парадоксы. Открытие таких фундаментальных парадоксов, как Рассела и Кантора (см. Антиномия ), вызвало широкую дискуссию и способствовало коренному пересмотру логико-математич. принципов. Аксиоматич. в теории множеств можно рассматривать как инструмент более детального изучения положения дел в создавшейся ситуации.

Построение формальной А. т. м. начинается с точного описания языка, на к-ром формулируются утверждения. Затем принципы "наивной" теории множеств выражаются на описанном языке в виде аксиом, схем аксиом. Ниже дано краткое описание нек-рых наиболее распространенных систем А. т. м. Важную роль при этом играет язык, содержащий следующие исходные символы: 1) переменные к-рые в языке играют роль общих имен множеств; 2) предикатные символы е (знак принадлежности) и = (знак равенства); 3) дескрипции (означающий "такой , что..."); 4) логические связки и кванторы: (эквивалентно), (влечет), (или), (и), (не), (для всех), (существует); 5) скобки (,). Выражения языка делятся на термы и формулы. Термы являются именами множеств, а формулы выражают суждения. Термы и формулы образуются согласно следующим правилам.

П1. Если - переменные или термы, то и суть формулы.

П2. Если Аи В - формулы и х - переменная, то суть формулы и - терм; переменная хесть терм.


Упорядоченная пара хи у:

Объединение хи у :

Пересечение хи у:

Объединение всех элементов х:

Декартово х и у :

wесть функция:

Значение функции на элементе х:

zесть стандартное бесконечное множество:

Следующая аксиоматич. А наиболее полно отражает принципы "наивной" теории множеств. Аксиомы А:

А1. объемности:

("если множества уи z содержат одни и те же элементы, то они равны");

А2. аксиомы свертывания:

где А - произвольная формула, не содержащая в качестве параметра у("существует множество у, содержащее те и только те элементы х, для к-рых А" ).

Описанная система противоречива. Если в А2 в качестве Авзять формулу то из формулы легко выводится , что противоречиво.

Аксиоматич. системы теории множеств можно разделить на следующие четыре группы.

а) Построение аксиоматич. систем первой группы направлено на такое ограничение аксиом свертывания, к-рое обеспечивает наиболее естественный способ формализации обычных математич. доказательств и в то же время позволяет избежать известных парадоксов. Первой аксиоматикой такого рода была система Z Цермело (Е. Zermelo, 1908). Однако в системе Z невозможно естественным образом формализовать нек-рые разделы математики, и А. Френкель (A. Fraenkel, 1922) предложил пополнить Z новым принципом, названным им аксиомой подстановки. Полученная система наз. системой Цермело- Френкеля и обозначается ZF.

б) Вторую группу составляют системы, аксиомы к-рых выбраны в связи с к.-л. объяснением парадоксов, напр, как следствий непредикативных определений. Сюда относятся: разветвленная теория типов Рассела, простая теория типов Т, теории типов с трансфинитными индексами (см. Типов теория ).

в) Третья характеризуется использованием нестандартных средств логич. вывода, многозначных логик, дополнительных условий на доказательства, бесконечных правил вывода. Системы, относящиеся к этому направлению, наименее развиты.

г) Четвертая группа включает модификации систем первых трех групп, преследующие определенные логич. или математич. цели. Укажем только на системы NBG Неймана - Гёделя - Бернайса (J. Neumann - К. Godel-Р. Bernays, 1925) и NF Куайна (W. Quine, 1937). Построение системы NBG вызвано желанием иметь конечное аксиом для теории множеств, основанной на системе ZF. В NF реализуется стремление преодолеть понятий, имеющее место в теории типов.

Системы Z, ZF, NF можно формулировать в описанном выше языке. Правила вывода, а также так наз. логические аксиомы у этих систем совпадают и образуют прикладное предикатов 1-й ступени с равенством и оператором дескрипции. Укажем только аксиомы для равенства и оператора дескрипции:

где (х) - формула, не содержащая связанной переменной у(т. е. не имеющая вхождений вида iy), и (у).получается из формулы (х).заменой нек-рых свободных вхождений переменной хна у; где х означает "существует одно и только одно х", а формула получается из формулы (х).заменой всех свободных вхождений переменной хна терм Квантор выразим через кванторы и равенство.

Нелогические аксиомы системы Z:

Z1. аксиома объемности А1;

Z2. аксиома пары:

("существует множество {х, у}" );Z3. аксиома суммы:

("существует множество z"); Z4. аксиома степени:

("существует множество Pz" );Z5. аксиома выделения:

("существует подмножество z, состоящее из тех элементов х, для к-рых имеет место (х)");аксиомы Z2 -Z5 являются примерами аксиом свертывания; Z6. аксиома бесконечности:


Z7. аксиома выбора:

("для всякого множества существует выбирающая из каждого непустого элемента хмножества z единственный элемент "). К этим аксиомам добавляют еще аксиому фундирования: Z8.

цель к-рой - постулировать, что не существует убывающих цепей Аксиома Z8 позволяет упростить построения в Z. Добавление этой аксиомы не вносит противоречия.

В системе Z можно развивать арифметику, анализ, рассматривать кардинальные числа, меньшие Однако если определить стандартным образом, то доказать в Z существование и более высоких кардиналов уже невозможно.

Система ZF получается из Z добавлением аксиом подстановки Френкеля, к-рым можно придать аксиом свертывания:

("существует множество у, состоящее из когда vпробегает все элементы множества z"). Иначе говоря, уполучается из z, если каждый элемент у из z заменить на

Система ZF является очень сильной теорией. Все обычные математич. теоремы формализуются в ZF.

Система NBG получается из системы ZF добавлением нового типа переменных - классовых переменных X, Y, Z, ... и конечного числа аксиом образования классов, позволяющих доказать формулы вида

где (х) - формула системы NBG, не содержащая связанных классовых переменных и символа i. Поскольку по каждой формуле (х).можно образовать , то бесконечное число аксиом ZF удается заменить конечным числом аксиом, содержащих классовую переменную. Аксиома выбора имеет вид:

и утверждает существование единой для всех множеств функции выбора, являющейся классом.

Система NF имеет наиболее простую аксиоматику, а именно: 1) аксиому объемности и 2) те аксиомы свертывания, в к-рых формулу Аможно стратифицировать, т. е. приписать всем переменным формулы Аверхние индексы таким образом, чтобы получилась формула теории типов Т, т. е. в подформулах вида хeуиндекс у хна единицу меньше, чем у y.

Система NF обладает следующими особенностями:

а) выбора аксиома и обобщенная континуум-гипотеза опровержимы;

б) бесконечности аксиома доказуема;

в) аксиома объемности играет весьма существенную роль. Так, если аксиому объемности заменить несколько более слабой аксиомой:

допускающей много пустых множеств, а аксиомы свертывания NF оставить без изменения, то получится довольно слабая теория, именно: уже в формальной арифметике можно доказать полученной системы.

Ниже приведены результаты о соотношениях между описанными системами.

(a) Всякая формула ZF доказуема в NBG тогда и только тогда, когда она доказуема в ZF.

(b) В ZF можно установить непротиворечивость Z, пополненной любым конечным числом примеров схемы аксиом подстановки ZF9. Таким образом, ZF значительно сильнее Z.

(g) В Z доказуема непротиворечивость Т, так что Z сильнее Т.

(d) NF не слабее Т в том смысле, что в NF можно развить всю теорию типов.

Аксиоматич. подход к теории множеств позволил придать точный смысл утверждению о принципиальной неразрешимости нек-рых математич. проблем и строго доказать его. Общая применения аксиоматич. метода здесь такова. Рассматривается формальная аксиоматич. система S теории множеств (как правило, это ZF или нек-рые ее модификации), настолько универсальная, чтобы она содержала все обычные способы рассуждения классич. математики и все обычные математич. факты могли бы в ней быть выведены. Данная проблема Аможет быть записана в виде формулы в языке S. Затем математич. методами устанавливается, что в Sневозможно вывести ни А, ни отрицание А. Отсюда следует, что проблема Ане может быть разрешена (в ту или иную сторону) средствами теории S, но так как теория Sопределялась в расчете охватить все обычные методы рассуждения, то полученный результат свидетельствует о том, что Ане может быть разрешена обычными методами рассуждения, т. е. свидетельствует о "трансцендентности" А.

Результаты о невыводимости в теории Sдоказываются, как правило, в предположении о непротиворечивости S или нек-рого естественного расширения S. Это связано с тем, что, с одной стороны, проблема может быть невыводима в Sтолько при непротиворечивости S, последнее же не может быть установлено средствами S (согласно Гёделя теореме о неполноте ), т. е. не может быть доказано обычными методами. С другой стороны, непротиворечивость Sявляется обычно весьма правдоподобной гипотезой. Сама теория Sопределяется в расчете на выполнение этой гипотезы.

Далее, аксиоматич. подход к теории множеств позволил точно поставить и решить проблемы, связанные с эффективностью в теории множеств, интенсивно обсуждавшиеся особенно в первый развития теории множеств в работах Р. Бэра (R. Baire), Э. Бореля (Е. Borel), А. Лебега (Н. Lebesgue), С. Н. Бернштейна, Н. Н. Лузина, В. Серпинского А именно, говорят, что теоретико-множественный , удовлетворяющий свойству задается эффективно в аксиоматич. теории S, если может быть построена формула (х).теории S, про к-рую в Sможно доказать, что ей удовлетворяет единственный объект, и этот объект удовлетворяет свойству Это определение дает возможность точно доказать, что для нек-рых свойств в теории Sневозможно эффективно указать объект, удовлетворяющий свойству в то время как существование этих объектов в S может быть установлено. Но поскольку теория Sвыбирается достаточно универсальной, то неэффективность существования нек-рых объектов в Sсвидетельствует и о невозможности эффективно установить их существование обычными математич. средствами.

Наконец, методы А. т. м. позволили решить трудных проблем и в классич. ветвях математики: теории кардинальных и ординальных чисел, дескриптивной теории множеств, топологии.

Ниже приведены нек-рые из результатов в А. т. м. Большинство теорем относится к А. т. м. Цермело - Френкеля, наиболее употребительной в настоящее время. Пусть ZF - есть система ZF без аксиомы выбора Z7. В силу результаты легко адаптируются и к системе NBG.

1) К. Гёдель (1939) показал, что если непротиворечива, то она остается непротиворечивой и после добавления аксиомы выбора и континуум-гипотезы. Отсюда следует, что в ZF невозможно опровергнуть аксиому выбора или континуум-гипотезу. Для доказательства этого результата Гёдель построил теории ZF, состоящую из так наз. конструктивных по Гёделю множеств и играющую важную роль в современной А. т. м.

2) Вопрос о том, можно ли вывести в ZF аксиому выбора или континуум-гипотезу, оставался открытым вплоть до 1963, когда П. Коэн (P. Cohen) с помощью разработанного им вынуждения метода показал, что если ZF- непротиворечива, то она остается таковой и после присоединения любой комбинации из аксиомы выбора, континуум-гипотезы или их отрицаний. Таким образом, эти две проблемы независимы в ZF.

Основным методом установления невыводимости формулы Ав ZF является построение модели ZF, в к-рой имеет место отрицание А. Метод вынуждения Коэна, усовершенствованный затем другими авторами, сильно расширил возможности построения моделей теории множеств и в настоящее время лежит в основе почти всех дальнейших результатов о невыводимости. Напр.:

3) Показано, что к ZF без противоречия можно присоединить гипотезу о том, что множества подмножеств множества хможет быть почти произвольной наперед заданной функцией мощности хна регулярных кардиналах (единственные существенные ограничения связаны с теоремой Кёнига).

4) В 1920 М. Я. Суслин сформулировал гипотезу: всякое линейно полно такое, что всякое попарно непересекающееся семейство непустых открытых интервалов в нем не более чем счетно, необходимо содержит счетное всюду плотное подмножество. Методом Коэна была установлена в ZF гипотезы Суслина.

5) Показана неразрешимость в (без аксиомы выбора) утверждения: всякое подмножество множества действительных чисел измеримо по Лебегу.

6) Выяснено взаимоотношение с ZF многих важных проблем дескриптивной теории множеств. Первые результаты в этом направлении были объявлены Гёделем в 30-х гг. и доказаны П. С. Новиковым . Методы А. т. м. позволили обнаружить неизвестные ранее связи между проблемами "наивной" теории множеств. Доказано, напр., что из существования неизмеримого по Лебегу множества действительных чисел типа вытекает существование несчетного (т. е. СА ).множества без совершенного подмножества.

7) Доказано отсутствие в ZF эффективного вполне упорядочения континуума. Получены многочисленные результаты об отсутствии эффективно определенных объектов в дескриптивной теории множеств и теории ординалов.

Лит. : Френкель А.

В. Н. Гришин, А. Г. Драгалин.


Математическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . И. М. Виноградов . 1977-1985 .

Теория множеств строится поверх исчисления предикатов подобно формальной арифметике. Мы добавим к исчислению предикатов один новый двуместный предикат - отношение принадлежности \in . Еще несколько предикатов мы выразим внутри теории множеств.

Для изучения теории множеств мы также введем новую связку в исчисление предикатов - эквивалентность. a \leftrightarrow b:= a \rightarrow b \& b \rightarrow a .

Аксиома фундирования исключает множества, которые могут принадлежать сами себе (возможно, через цепочку принадлежностей):

X \in Y \in Z \in X

Ясно, что данная аксиома перекрывает аксиому выделения. Наличие аксиомы подстановки отличает аксиоматику Цермело-Френкеля от аксиоматики Цермело.

На бинарных отношениях естественным образом вводятся отношения рефлексивности, симметричтности и транзитивности.

Также можно ввести понятие максимума, минимума, верхней грани, супремума.

Рассмотрим ординалы подробнее. Для начала рассмотрим конечные ординалы: 0:= \emptyset ; 1:= \{\emptyset\} ; 2:= 1 \cup \{1\} и т.п. Существование этих ординалов легко доказать.

Помимо конечных, бывают бесконечные ординалы. Например, таковым является множество N из аксиомы бесконечности. Заметим, что N \cup \{N\} - это новый ординал, не равный исходному.

Минимальный предельный ординал мы обозначим \omega . Ясно, что любое натуральное число меньше, чем \omega .

Операцию x \cup \{x\} можно выбрать за операцию прибавления 1. Для ординалов можно определить арифметические операции (+) , (\cdot)\lt tex\gt . Получится некоторое обобщение натуральных чисел со странными свойствами. Скажем, будет справедливо \lt tex\gt 1 + \omega = \omega .

Ординалы становятся важными, например, при доказательстве утверждений с помощью трансфинитной индукции: пусть есть некоторое утверждение P(x) , определенное на ординалах. Пусть мы можем показать, что из того, что P(y) справедливо на всех ординалах y \lt z , следует, что P(z) тоже справедливо. Тогда P(x) верно для любого ординала. Трансфинитная индукция есть обобщение обычной индукции. Например, с ее помощью доказана непротиворечивость формальной арифметики.

Все натуральные числа являются кардинальными. Также, например \omega — кардинальное число (еще оно обозначается как \aleph_0 , если речь идет о мощности множеств). 2^\omega — кардинальное число \aleph_1 , соответствует мощности континуум.

Есть ли какое-нибудь кардинальное число между \aleph_0 и \aleph_1 ? Континуум-гипотеза (что никаких других кардинальных чисел между ними нет) была высказана довольно давно, и длительное время была одной из главных проблем в теории множеств. Сначала Геделем было показано, что континуум-гипотеза не противоречит ZF. Утверждение о том, что и отрицание континуум-гипотезы не противоречит ZF, было доказано через 30 лет Коэном.