4、公理集合論

1930年以后,迎來了公理集合論的黃金時代。對于數(shù)學(xué)家們來說,策梅羅的公理系統(tǒng)ZF大致夠用。他們?nèi)圆惶P(guān)心集合論的細(xì)微未節(jié),以及一層一層的無窮大,這些在他們的數(shù)學(xué)中難得碰到。不過除了九條可靠的ZF公理之外,他們也往往需要選擇公理(AC),有時也要考慮連續(xù)統(tǒng)假設(shè)(CH)。

他們希望這兩個公理是真的,這樣似乎就可以天下太平了。誰知事情越來越麻煩,現(xiàn)在居然找出一大堆玄妙的公理和假設(shè),它們能推出一些我們想要的結(jié)果來,同時又出現(xiàn)許多荒唐矛盾的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象十分有趣,但是從外行看來實(shí)在亂七八糟。

這里還是簡單歸納介紹一下:

4.1 選擇公理

選擇公理是現(xiàn)代數(shù)學(xué)中最常用的假設(shè),過去許多人曾不自覺地使用。對這個問題引起注意,是因?yàn)榭低袪栐?883年提出任意集合是否都可良序化的問題。希爾伯特也曾把這個問題引入其23問題頭一問題的后半部分。1904年,策梅羅提出選擇公理,并通過選擇公理證明了良序定理。這個公理有極多的等價形式,其中有在代數(shù)中常用的造恩引理。這個應(yīng)用極廣、看來正確的選擇公理,卻可以證明出一些看來荒唐的結(jié)果。如1914年的豪斯道夫的分球面定理和U23年的巴拿赫—塔爾斯基悖論。

可是選擇公理的用途太大,不能忽視,許多學(xué)科的基本定理少不了它:泛函分析中的哈恩—巴拿赫定理(關(guān)于巴拿赫空間上的線性泛函的可擴(kuò)張性);拓?fù)鋵W(xué)的吉洪諾夫定理(關(guān)于任意多緊空間的直積為緊);布爾代數(shù)的斯通表示定理,每個布爾代數(shù)皆同構(gòu)于集代數(shù);自由群論的尼爾森定理,自由群的子群也是自由的。

其他還有許多定理,如果沒有選擇公理也不行。

4.2連續(xù)統(tǒng)假設(shè)

連續(xù)統(tǒng)假設(shè)的歷史最久,它可以說是隨著集合論一起產(chǎn)生的。1883年康托爾就提出了這個假設(shè),可數(shù)無窮集的基數(shù)的后面就是連續(xù)統(tǒng)的基?低袪柣水吷θプC明,但沒有成功。希爾伯特把它列入自己著名的23個問題的頭一個。希爾伯特本人也曾經(jīng)用了許多精力證明它,并且在192~—1926年宣布過證明的大綱,但終究未能成功。這個問題終究懸而未決。

1930年哥德爾完成了他的兩大貢獻(xiàn)以后,曾說過“現(xiàn)在該輪到集合論了”。他從1935年起就開始研究連續(xù)統(tǒng)假設(shè)及廣義連續(xù)統(tǒng)假設(shè)。這一次他又出人意料地證明了ZF和GCH是協(xié)調(diào)一致的,不過當(dāng)然要假設(shè)ZF本身也是協(xié)調(diào)的,雖然這一點(diǎn)一直沒有得到證明。

哥德爾應(yīng)用可構(gòu)造性公理證明ZFC和ZFC+GCH的相對無矛盾性,他用可構(gòu)造集的類L作為ZFC的模型。1963年7月,美國年輕數(shù)學(xué)家科恩發(fā)明了影響極為重大的力迫法,并證明連續(xù)統(tǒng)假設(shè)的否定命題成立,這樣一來CH在ZF中既不能證明也不能否定。

4.3可構(gòu)成性公理

哥德爾證明選擇公理和連續(xù)統(tǒng)假設(shè)協(xié)調(diào)性的方法是定義一種類型的集合,叫做可構(gòu)成集。假如把集合論中集合的概念完全用可構(gòu)成集合的概念來理解,那么集合論中的一些概念就會有相應(yīng)的改變。但是有一些概念不會改變,這種概念我們稱為絕對的,特別是可構(gòu)成性這個概念是絕對的。所以“一切集合是可構(gòu)成的”,這稱為可構(gòu)成性公理。

可構(gòu)成性的概念非常重要,表現(xiàn)在:

1、可構(gòu)成性公理與ZF的其他公理是協(xié)調(diào)的;

2、可構(gòu)成性公理蘊(yùn)涵連續(xù)統(tǒng)假設(shè)和選擇公理;

3、如果可測基數(shù)存在,則不可構(gòu)成集合存在,這是斯科特1961年證明的。隨后,羅巴通在他1964年的博土論文中證明可測基數(shù)的存在,蘊(yùn)涵整數(shù)不可構(gòu)成集合的存在性,后來他又證明可測基數(shù)的存在蘊(yùn)涵只有可數(shù)無窮多個整數(shù)的可構(gòu)成集合。

4.4 馬丁公理

馬丁公理是1970年由馬丁等人提出來的,它與ZFC的其他公理完全不同,不象一個“真”的公理,但是由它可以推出數(shù)學(xué)上重要的結(jié)果。馬丁公理是連續(xù)統(tǒng)假設(shè)的推論,因此可以看成是弱連續(xù)統(tǒng)假設(shè)。

馬丁公理在數(shù)學(xué)上有一系列的重要應(yīng)用。特別重要的是,舍拉在1974年證明懷特海猜想在ZFC下是不可判定的。同樣,許多拓?fù)鋵W(xué)問題也有類似情況。

4.5 大基數(shù)公理

連續(xù)統(tǒng)假設(shè)及廣義連續(xù)統(tǒng)假設(shè)反映了最理想的大基數(shù)產(chǎn)生的方法,也就是一個接一個由冪集的基數(shù)產(chǎn)生出來。但是,這種理想的情況現(xiàn)在還無法證明,而與它不同或矛盾的情形也不可能得到否定。因此,這種種特殊大基數(shù)的存在性能得到更加特殊的結(jié)果,而且對數(shù)學(xué)本身產(chǎn)生了不可忽視的影響。

雖然這些大基數(shù)極為玄乎,可是由它們可以推出許多重要的數(shù)學(xué)結(jié)果。因此我們不得不重視它,而它們的存在性作為公理就是大基數(shù)公理?梢粤系竭@些大基數(shù)公理同原來的一些公理是矛盾的。比如,可構(gòu)造公理就蘊(yùn)涵可測基數(shù)不存在。

大基數(shù)公理對數(shù)學(xué)問題的重要性可以由下面問題的解決看出:拓?fù)鋵W(xué)中一個著名的幾十年末解決的正規(guī)莫爾空間猜想歸結(jié)為可測基數(shù)的存在問題,而象過去局限于ZFC系統(tǒng)的證明是沒有希望的。\

4.6決定性公理

決定性公理是與描述集合論密切相關(guān)的公理,它涉及到自然數(shù)列的集合是否能夠通過某種方法決定。

決定性公里的基本問題是:什么集合是可決定的?經(jīng)過許多人的努力,馬丁在1975年證明,數(shù)學(xué)中最常用的保萊爾集合是可決定的。下一個猜想是證明所有解析集合(即二維保萊爾集合的射影集合)是可決定的,但這個猜想與哥德爾的可構(gòu)成性公理相矛盾。上面講過,可構(gòu)成性公理是與ZFC是相容的,因此這個猜想無法在集合論中證明。這樣一來,它本身可以成為一個新公理。

比這個公理更加激進(jìn)的公理是:R的所有子集合都是決定的。這個公理太過激烈了,以致很難為“真”,因?yàn)樗紫韧x擇公理有矛盾。不過,由這個決定性公理卻能推出一系列有趣的數(shù)學(xué)事實(shí);其中最突出的是,由它可推出所有實(shí)數(shù)集合都是勒貝格可測的。這樣一來,許多數(shù)學(xué)成為沒有意思的了。因此,數(shù)學(xué)家還是不太想要這個太強(qiáng)的公理。可是,它帶來的一系列問題仍有待解決。
 

 
韩国日本在线看片,国产免费99热精品,国产精品码一区二区,色老久久精品偷偷鲁偷偷鲁