可数选择公理

选择公理对于可数集族的弱形式

可数选择公理

可数选择公理(countable axiom of choices[0])是集合论的一条公理,常记为ACω。[4]该公理断言:每一个非空集合组成的可数集族都有一选择函数,它是选择公理的一种弱形式。[0]集合论的发展在20世纪初遇到了阻碍,一些悖论相继诞生,引发了第三次数学危机,推动了公理化集合论的进程。[7]选择公理与有穷理论有关,1888年,戴德金(Richard Dedekind)给出了有穷性的一个定义,称作D-有穷。[1]1904年,德国数学家策梅洛(Ernst Zermelo)在证明良序定理时第一次明确提出了选择公理,从此,学术界开始了对选择公理的探讨和争论。[1]由于选择公理过强,许多公理的弱形式被提出,梅切尔斯基(Mycielski)等人证明了可数选择公理成立,并证实了存在勒贝格不可测的集合。[2]罗素(Russell)、塔斯基(Tarski)等人在著作和文章中对有穷集合理论进行了研究,肯定了可数选择公理的意义。[1]1942年,贝尔奈斯(Bernays, P.)提出相关选择公理,并证明了可数选择公理比它弱。[0]

可数选择公理(countable axiom of choices[1])是集合论的一条公理,常记为ACω。[5]该公理断言:每一个非空集合组成的可数集族都有一选择函数,它是选择公理的一种弱形式。[1]

集合论的发展在20世纪初遇到了阻碍,一些悖论相继诞生,引发了第三次数学危机,推动了公理化集合论的进程。[8]选择公理与有穷理论有关,1888年,戴德金(Richard Dedekind)给出了有穷性的一个定义,称作D-有穷。[2]1904年,德国数学家策梅洛(Ernst Zermelo)在证明良序定理时第一次明确提出了选择公理,从此,学术界开始了对选择公理的探讨和争论。[2]由于选择公理过强,许多公理的弱形式被提出,梅切尔斯基(Mycielski)等人证明了可数选择公理成立,并证实了存在勒贝格不可测的集合。[3]罗素(Russell)、塔斯基(Tarski)等人在著作和文章中对有穷集合理论进行了研究,肯定了可数选择公理的意义。[2]1942年,贝尔奈斯(Bernays, P.)提出相关选择公理,并证明了可数选择公理比它弱。[1]

除可数选择公理外,选择公理的弱形式还包括良序选择公理和相关选择公理,它们存在这样的关系:良序选择公理相关选择公理可数选择公理。[1]与选择公理不同,可数选择公理与决定性公理是相容的。[4]可数选择公理还可以证明某些结论,如,每个无限集都有一个可数子集。[5]

定义

可数选择公理是选择公理的一种较弱的形式,常记为。[5]该公理断言:每一个非空集合组成的可数集族有一选择函数,即:[1]

,[1]

对任何,有。由此公理可推出可数个可数集的并集可数,实数集不是可数个可数集的并集,每个无穷集有可数子集等,但不能推出实数集的可良序化的结论。[1]

早期研究

集合论的发展在20世纪初遇到了阻碍,一些悖论相继诞生,引发了第三次数学危机,推动了公理化集合论的进程。[8]选择公理与有穷理论有关,1888年,戴德金(Richard Dedekind)给出了有穷性的一个定义,称作D-有穷。[2]1904年,策梅洛(Ernst Zermelo)在证明良序定理时第一次明确提出了选择公理,但是有许多遗留问题没有被解决,从此,学术界就开始了对选择公理的探讨和争论。[2]

蔡梅洛
蔡梅洛

后续发展

由于选择公理过强,许多公理的弱形式被提出。梅切尔斯基(Mycielski)等人证明了可数选择公理成立,即实数非空集合的每一可数子集都有一选择函数,并证实了存在勒贝格不可测的集合。[3]罗素(Russell)和怀特海(A.N.Whitehead)在《数学原理》一书中说明了用可数选择公理就可以证明有穷集合都是D-有穷的。但是,到了1924年,在谢宾斯基(Sierpinski)的影响下,塔斯基(Tarski)在文章中指出,许多关于有穷集合的命题如果换为D-有穷,则需要可数选择公理,并给出了有穷集合的多种定义方法,等价性的证明不一定需要可数选择公理。[2]1942年,贝尔奈斯(Bernays, P.)提出相关选择公理,并证明了可数选择公理比它弱。[1]1967年,詹森(Jensen)指出,良序选择公理可推出相关选择公理。[5]

罗素
罗素

选择公理AC

定义:选择公理表示对于每个集合系统都有一个选择函数,通常用表示,其等价形式包括:[6]

(1)每个划分都有一个代表元的集合。[6]

(2)如果是一个非空集合的标号系统,那么存在一个函数使得对所有的。[6]此条等价形式也可以等价陈述为:如果对所有的,那么。[6]

联系:强于可数选择公理。[1]

良序选择公理ACωo

定义:对于每个可良序化的集合(集族),恒有一个选择函数,简记作。[5]

联系:强于可数选择公理。[5]

相关选择公理DC

定义:设为非空集合,为其上的二元关系。如果对任意都存在使得,则存在的元素的可数序列使得,相关选择公理通常用表示,该公理又称依赖选择公理。[7][1]

从相关选择公理可以推出可数选择公理,因此相关选择公理是比可数选择公理强的命题。[1]

联系:强于可数选择公理。 [1]

决定性公理

对的每一个子集,定义下面的游戏:甲、乙二人对局,甲选取自然数,乙选取自然数,接着甲取数,乙取数,,从而形成二无穷序列:[4]

甲

乙

若所得结果序列在中,则甲胜,否则乙胜。甲的策略为一函数,使得对任何,。乙的策略也为一函数,使得对任何, 。对甲(乙)来说是必胜策略,若甲(乙)运用它作游戏时不管乙(甲)如何去做,他必胜。游戏称为决定的,若甲、乙二人中有一人必有必胜策略。

定义:对每一个,游戏是决定的,决定性公理通常用表示。[4]

联系:决定性公理与选择公理不相容,但与可数选择公理是相容的。[4]

定义

设是一个阿列夫,则

:对于每个非空集的集族,如果有,则恒有选择函数。[5]

:对于每个,或者。

显然,是可数选择公理,每个基数与可比较即或者,故。这里由也可知,每个无限集恒包含可数集。该推广形式同样可定义相关选择公理,记为。[5]

性质

定理1:设是阿列夫,则

(1)如果,则(若阿列夫,则可良序化,或,则)。[5]

(2)。[5]

(3)如果是奇异基数,则。[5]

(4)如果是极限基数且,则,。[5]

定理2:。[5]

例1

例:每个无限集都有一个可数子集。[5]

证明:设为一无限集。考虑的所有有限集排成的有限列:,其中。由可数选择公理知上有选择使,显然是可数集。[5]

例2

例:在实数空间,一些基本的拓扑性质有两种定义。其一是用语言定义;其二是应用极限列定义。[5]

1.闭集:点,如果

(1)的每个邻域都交于;或

(2)对于内某个点列,有。[5]

2.连续函数:函数在点处连续,如果

(1);使得;或

(2)只要,则有。[5]

3.紧致集:集是紧致的,如果

(1)是有界闭集;或

(2)内每个点列都有收敛子列,并且。[5]

由可数选择公理知中两种方式定义的概念是分别等价的。[5]

证明:1.显然,这里只证:如果,则对的每个都与相交,所以有选择函数,使。[5]

2.显然,这里只证:如不然,则有对每个有,由可数选择公理知,于是,矛盾,证毕。[5]

参考资料 8

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
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