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체르멜로-프렝켈 集合論

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數學 에서, 選擇 公理를 追加한 체르멜로-프렝켈 集合論 (選擇公理를追加한Zermelo-Fraenkel集合論, 英語 : Zermelo?Fraenkel set theory with the axiom of choice , 弱者 ZFC)은 功利的 集合論 의 하나이다. 現代 數學의 標準的인 數學基礎論 으로 使用된다.

正義 [ 編輯 ]

選擇 公理를 追加한 체르멜로-프렝켈 集合論 1次 論理 를 基盤으로 하는 1次 集合論 이며, 等號 밖에 하나의 이항 關係 만을 가진다. 論議 領域 集合 들이다 (集合은 公理를 통해 描寫되기만 할 뿐 直接的으로 正義되지는 않는다). 이항 關係 는 " 元素 "라고 읽는다.

는 各各

를 줄여 쓴 것이다.

選擇 公理를 追加한 체르멜로-프렝켈 集合論의 公理系는 다음과 같은 公理 7個 및 公理꼴 2個로 定義된다. 이들은 通常的인 1次 述語 論理 公理들에 追加로 假定한 것이다.

체르멜로-프렝켈 公理系 (ZF)는 ZFC에서 選擇 公理 를 除外한 것이며, 체르멜로 公理系 (Z)는 ZFC에서 選擇 · 正則性 · 置換 公理(꼴)를 除外한 것이다.

集合의 基本 性質 [ 編輯 ]

擴張公理와 正則性 공리는 ZFC에서 쓰이는, 集合의 基本的인 性質들을 나타낸다. 卽, 集合은 順序 및 다른 追加 性質을 갖지 않는 構造이며 (擴張性), 스스로를 包含하거나 其他 再歸的인 包含 關係를 가지지 못한다 (正則性).

  1. 擴張 公理 ( 英語 : axiom of extensionality ) 或은 外延 公理 : 包含하는 元素가 全部 같은 두 集合은 서로 同一하다. 卽, 이는 事實上 集合의 同一함이 무엇인지를 定義한다. 擴張 공리의 驛은 서로 같은 集合이 包含하는 元素가 같다는 命題이며, 이는 이미 1次 論理의 공리이다.
  2. 正則性 公理 ( 英語 : axiom of regularity ) 或은 基礎 公理 ( 英語 : axiom of foundation ): 空集合 이 아닌 모든 集合은 自身과 서로素 人 元素를 包含한다. 이에 따라, 스스로를 元素로 包含하는 集合이나, 스스로를 元素의 元素로 包含하는 集合 等은 存在할 수 없다. 事實, 正則性 公理를 假定하면 이는 모든 모임 위에서도 成立하게 된다 ( 正初 關係#正初 모임 參考).

集合의 構成 [ 編輯 ]

分類·置換 公理꼴과 짝·合集合·冪集合 公理들은 주어진 集合으로부터 새로운 集合을 構成하는 方法들을 定義한다. 卽, 이미 構成된 集合들로부터, 이들의 順序雙 · 合集合 · 冪集合 을 定義할 수 있으며, 또한 이미 構成된 集合에 주어진 性質을 만족시키는 部分集合을 取하거나 (分類 公理꼴), 函數 에 對한 을 取할 수 있다 (置換 公理꼴).

  1. 分類 公理꼴 ( 英語 : axiom schema of specification ): 가 集合이고 가 그 元素들이 滿足할 수 있는 性質일 때, 이를 滿足하는 것들로 이루어진 의 部分 集合이 存在한다. 여기에서 元素의 範圍를 集合 로 制限하는 것은 러셀의 逆說 等 逆說을 避하기 위함이다. 1次 論理에서는 性質에 限定 記號를 加할 수 없으므로, 이는 낱個의 公理로 나타낼 수 없으며, 各 性質들에 對應하는 "無限 個"의 公理들로 構成된다. 또는 을 自由 變數로 가지는 (特히 를 自由 變數로 갖지 않는) 論理式 에 對하여,
  2. 置換 公理꼴 ( 英語 : axiom schema of replacement ): 集合을 定義域으로 갖는, 形式的으로 定義된 函數가 있을 때, 그 値域을 包含하는 集合이 存在한다. 보다 嚴密하게 敍述하면, 또는 을 自由變數로 가지는 (特히 를 自由 變數로 갖지 않는) 論理式 에 對하여,
    여기에서 限定 記號 을 줄여 쓴 것이다. 卽, 性質 를 滿足하는 가 唯一하게 存在함을 말한다.
  3. 짝 公理 ( 英語 : axiom of pairing ): 任意의 두 集合에 對해, 둘 모두를 元素로서 包含하는 集合이 存在한다.
  4. 合集合 公理 ( 英語 : axiom of union ): 任意의 集合에 對해, 거기에 包含되는 元素들에 包含되는 元素들을 全部 包含하는 集合이 存在한다.
  5. 冪集合 公理 : 任意의 集合 x에 對해, x의 모든 部分集合을 元素로 갖는 集合 y가 存在한다.
    여기에서 를 줄여 쓴 것이다.

無限 公理와 選擇 公理 [ 編輯 ]

無限 公理와 選擇 공리는 ZFC 公理系에서 比較的 더 論難이 되는 公理들이다. 無限 공리는 加算 無限 集合 의 存在를 假定하며, 여기에 冪集合 을 取하여 더 큰 無限 期數 順序數 들을 定義할 수 있다. 選擇 公理 에 따르면, 無限한 數의 集合들에서 各各 하나의 元素를 無作爲로 고를 수 있는데, 이 때 고르는 方法은 明示되지 않으며, 一部 境遇 明示할 수 없음을 보일 수 있다.

  1. 無限 공리 : 空集合 을 元素로 가지며, 萬若 를 元素로 가진다면 언제나 도 元素로 가지는 集合 가 存在한다.
    여기서 이며, 公理 1부터 6까지를 利用해 任意의 集合 에 對해 가 唯一하게 存在함을 證明할 수 있다. 空集合 으로, 위의 公理들을 利用해 萬若 集合이 하나라도 存在한다면 空集合이 唯一하게 存在함을 證明할 수 있다. 正則性 公理에 따라 恒常 이므로, 이는
    를 의미한다. 이들은 各各 自然水路 定義할 수 있다.
    그렇다면, 이 공리는 自然數의 集合 의 存在를 의미한다. (萬若 自然水를 다른 方法으로 定義하고 싶으면, 置換 公理꼴을 使用하여 이를 다른 定義로 飜譯할 수 있다.)
  2. 選擇 公理 : 空集合이 아닌 集合들의 集合 가 주어졌을 때, 의 各 元素로부터 하나씩의 元素를 고르는 函數 가 存在한다. 卽, 모든 에 對하여, 의 元素 를 골라낸다.
    여기서 의 모든 元素들의 合集合 이며, 合集合 公理에 따라 存在한다.

性質 [ 編輯 ]

ZFC의 論議 領域은 集合 灣을 包含하며, 固有 모임 을 包含하지 않는다. 모임 을 直接的으로 다루려면 폰 노이만-베르나이스-괴델 集合論 이나 모스-켈리 集合論 을 使用하여야 한다.

ZFC의 모든 集合은 集合으로 構成되어 있으며, 原子( 英語 : atom , urelement )를 갖지 않는다. 또한, ZFC의 集合은 正則的이다. 卽, 正則性 公理에 依하여

또는

와 같은, 無限히 再歸的인 集合이 存在할 수 없다.

체르멜로-프렝켈 集合論의 一部 公理들은 서로 獨立的이지 않다. 例를 들어, 나머지 公理들로부터 짝 公理를 誘導할 수 있다.

證明:

冪集合 公理에 따라, 集合 이 存在한다. 任意의 集合 가 주어졌을 때, 다음과 같은 論理式 를 생각하자.

(이는 集合論의 言語 以外의 記號를 使用하지만, 集合論의 言語의 記號만을 使用하도록 飜譯할 수 있다.) 를 自由 變數로 가지며, 의 元素에 對하여 唯一한 集合을 對應시킨다. 置換 公理꼴에 따라, 의 賞을 元素로 包含하는 集合이 存在한다. 의 賞은 이며, 의 賞은 이다.

相對的 無矛盾性 [ 編輯 ]

ZF(C)와 같은 無矛盾性을 갖는 理論 [ 編輯 ]

다음 理論들은 서로 等無矛盾的 이다. [1]

  • . 이는 에서 正則性 公理를 省略한 公理系이다. [1] :Corollary IV.4.4; 162, Corollary V.2.14
  • [1] :Corollary IV.4.4; 162, Corollary V.2.14
  • + 到達 不可能한 期數 가 存在하지 않는다. [1] :148, Exercise IV.19
  • + 一般化 連續體 假說 [1] :175, Corollary VI.4.9
  • + 一般化 連續體 假說 + 到達 不可能한 期數 가 存在하지 않는다. [1] :177, Corollary VI.4.13
  • [1] :170, Corollary VI.3.4
  • [1] :172, Corollary VI.3.11
  • [1] :211, VII.5.17
  • [1] :209, Corollary VII.5.15
  • [1] :245, Exercise VII.E4
  • [1] :148, Exercise IV.19
  • ( 폰 노이만-베르나이스-괴델 集合論 ). 이는 保存的 擴張 이다. 卽, 純粹하게 集合에 對한 命題에 對하여, ZFC에서의 證明 可能性과 NBG에서의 證明 可能性이 서로 동치다.

ZF(C)보다 弱한 理論 [ 編輯 ]

다음과 같은 理論들은 에 對하여 相對的으로 無矛盾的 이지만 그 驛은 成立하지 않는다.

이며,

이다. [1] :149, IV.30 [2] 여기서 페아노 公理系 이며, 는 체르멜로-프렝켈 集合論에서 無限 公理를 省略한 것이다. 따라서, (萬若 가 無矛盾的이라면) 보다 無矛盾性에 따르면 더 强力하다. 勿論, 이다.

마찬가지로, 다음이 成立한다. [1] :132, Theorem IV.6.5

여기서 에서 冪集合 公理를 除去하고, 代身 "모든 集合이 可算 集合 이다"를 追加한 것이다. 事實, 이다. 여기서 은 遺傳的 可算 集合들의 集合이다.

마찬가지로, 다음이 成立한다. [1] :123, Theorem IV.3.13

여기서 에서 無限 公理를 除去하고, 代身 그 不正을 追加한 것이다. 事實, 이다. [3] [4] 여기서 는 遺傳的 有限 集合들의 集合(卽, 폰 노이만 全體 番째 段階)이다.

마찬가지로, 다음이 成立한다. [5] :110, Theorem II.2.2

여기서 에서 置換 公理꼴을 그 不正으로 代替한 것이다. 事實, 이다. [6]

ZFC보다 剛한 理論 [ 編輯 ]

모스-켈리 集合論 ( 英語 : Morse?Kelley set theory ) MK는 ZFC의 無矛盾性을 證明할 수 있어 ZFC보다 더 剛한 理論이다. [5] :152, Exercise II.10.2 事實, MK의 有限한 數의 定理들을 公理들로 하는 理論 에 對하여,

이며, 特히 인 境遇

이다.

萬若 ZFC가 無矛盾的이라면, ZFC는 到達 不可能한 期數 (및 其他 큰 期數 )의 存在를 證明할 수 없다. 이는 ZFC+到達 不可能한 騎手의 存在로부터 ZFC의 無矛盾性을 證明할 수 있기 때문이다. 事實,

인데, 이는 到達 不可能한 期數 에 對하여 利器 때문이다.

마찬가지로, ZF+ 弱하게 到達 不可能한 期數 의 存在는 ZFC의 無矛盾性을 보일 수 있다.

有限 公理化의 不可能性 [ 編輯 ]

ZFC는 公理꼴( 英語 : axiom schema )을 包含하고 있으므로, 實際로는 無限 히 많은 數의 公理들로 이루어져 있다. 리처드 몬터규 는 1961年에 ZFC도 ZF도 (萬若 無矛盾的이라면) 有限個의 公理로는 代替될 수 없음을 證明했다. 事實, ZFC의 有限한 數의 定理들을 公理系로 하는 理論 에 對하여, 恒常

이다. [5] :131, Corollary II.5.4 反面, 폰 노이만-베르나이스-괴델 集合論 (NBG)은 有限 個의 公理로 公理化할 수 있다.

歷史 [ 編輯 ]

1890年代의 칸토어 逆說 의 發見과 1901年의 러셀의 逆說 의 發見으로, 嚴密한 數學基礎論의 必要性이 擡頭되었다.

1904年에 에른스트 체르멜로 整列 整理 를 證明하기 위하여 選擇 公理 를 導入하였다. 1908年, 에른스트 체르멜로 는 最初의 功利的 集合論 人 체르멜로 集合論을 發表했다. [7] 그러나 체르멜로 集合論은 順序數 를 構成하기에 不足하였다. 具體的으로, 체르멜로 集合論에서는 알레프 수 를 定義할 수 없다. 또한, 체르멜로의 分類 公理꼴( 獨逸語 : Axiom der Aussonderung )에는 "明確한"( 獨逸語 : definit ) 性質이라는 表現이 包含되어 있었는데, 이 槪念은 嚴密하게 定義되지 않았다.

1907年에 러시아의 數學者 드미트리 미리마노프 ( 러시아語 : Дми?трий Семёнович Мирима?нов )는 集合의 正則性의 槪念을 定義하였고, 이 性質이 체르멜로의 公理系로부터 誘導되지 않는다는 事實을 指摘하였다.

1910年에 헤르만 바일 은 "明確한" 性質을 1次 論理 로 定義할 수 있는 性質로 定義하였다. [8] 1922年에 土랄프 스콜렘 또한 같은 提案을 하였다. [9]

또한, 1922年에 아브라함 프렝켈 [10] 과 스콜렘 [9] 은 체르멜로의 公理系에 置換 公理꼴( 獨逸語 : Ersetzungsaxiom )을 追加하였다. 존 폰 노이만 은 여기에 集合의 正則性을 表現하는 正則的 公理를 追加하여 ZFC를 完成하였다.

같이 보기 [ 編輯 ]

各州 [ 編輯 ]

  1. Kunen, Kenneth (1980). 《Set theory: an introduction to independence proofs》 . Studies in Logic and the Foundations of Mathematics (英語) 102 . North-Holland. ISBN   978-0-444-86839-8 . MR   597342 . Zbl   0534.03026 . 2016年 9月 11日에 原本 文書 에서 保存된 文書 . 2016年 8月 8日에 確認함 .  
  2. Kaye, Richard; Wong, Tin Lok (2007). “On interpretations of arithmetic and set theory”. 《Notre Dame Journal of Formal Logic》 (英語) 48 (4): 497?510. doi : 10.1305/ndjfl/1193667707 . ISSN   0029-4527 . MR   2357524 . Zbl   1137.03019 .  
  3. Roitman 2011 , 136쪽
  4. Cohen 2008 , 54쪽, states: "The first really interesting axiom [of ZF set theory] is the Axiom of Infinity. If we drop it, then we can take as a model for ZF the set M of all finite sets which can be built up from ?. [...] It is clear that M will be a model for the other axioms, since none of these lead out of the class of finite sets."
  5. Kunen, Kenneth (2011). 《Set theory》. Studies in Logic (London) (英語) 34 . London: College Publications. ISBN   978-1-84890-050-9 . MR   2905394 . Zbl   1262.03001 .  
  6. Smullyan & Fitting 2010 , 96쪽
  7. Zermelo, Ernst (1908). “Untersuchungen uber die Grundlagen der Mengenlehre I” . 《Mathematische Annalen》 (獨逸語) 65 : 261?281. doi : 10.1007/BF01449999 . JFM   39.0097.03 .  
  8. Weyl, H. (1910). “Uber die Definitionen der mathematischen Grundbegriffe”. 《Mathematisch-naturwissenschaftliche Blatter》 (獨逸語) 7 : 93?95, 109?113. JFM   41.0089.03 .  
  9. Skolem, T. (1923). 〈Einige Bemerkungen zur axiomatischen Begrundung der Mengenlehre〉. 《Matematikerkrongressen i Helsingfors den 4?7 Juli 1922, Den femte skandinaviska matematikerkongressen, redogorelse》 (獨逸語). 217?232쪽. JFM   49.0138.02 .  
  10. Fraenkel, A. A. (1922). “Zu den Grundlagen der Cantor-Zermeloschen Mengenlehre” . 《Mathematische Annalen》 (獨逸語) 86 : 230?237. doi : 10.1007/BF01457986 . JFM   48.0199.04 .  

外部 링크 [ 編輯 ]