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选择公理

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(Si) 是一个建立在实数R上的指标集族R指标集;也就是说,对每一个实数i,均存在一个集合 Si,如图所示。每一个集合包含至少一个(可能是无限个)元素。则选择公理可以断言,我们可以从每一个集合中选择一个元素,组成一个在R上的新指标集族(xi),这里xi∈SiiR。通常情况下,指标集可以是任意集合I,而不仅仅是R

选择公理“AC”axiom of choice)是数学中的一条集合论公理。这条公理声明,对所有非指标集族 (S_i)_{i \in I},总存在一个指标集族 (x_i)_{i \in I},对每一个 i \in I,均有 x_i \in S_i。选择公理最早于1904年,由恩斯特·策梅洛为证明良序定理而公式化完成[1]

通俗地讲,选择公理可表述为:有一些盒子,每个盒子中都含有至少一个小球,那么很有可能存在这样一种选择,使得可从每个盒子中恰好选出一个小球。在很多情况下这样的选择可不借助选择公理;尤其是在这些“盒子个数有限”和“选择方法具体有效”这两种情况下。对于第二种情况,前面提到的例子中的显著特性是已知每个盒子至少含有一个小球,这保证我们的选择可以具体化。再举一个例子,假设有许多(甚至是无限)双鞋子,则我们可以选取每双鞋左边的鞋子构成一个具体的选择。然而,假设有无限双袜子(假设每双袜子都没有可区分的特征),在这种情况下,有效的选择只能通过选择公理得到。

尽管存在一些争议,选择公理仍被大多数数学家毫无保留地使用着[2],它包括带有选择公理的策梅洛-弗兰克尔集合论(ZFC)。数学家们使用选择公理的原因是,包括吉洪诺夫定理在内的许多被普遍接受的数学定理,都需要选择公理来证明。但仍有数学学派(主要在集合论内),认为要么拒绝选择公理,要么研究与选择公理矛盾的公理的推论。同时代的集合论学家也研究与选择公理相矛盾的公理,例如决定公理英语Axiom of determinacy

尽管许多数学结构建立在选择公理上,但仍有一些数学结构避免使用选择公理。

陈述[编辑]

首先定义几个概念:

集族:指由非空集合组成的集合。

选择函数:它是一个集族上的函数。它规定:对于所有在集族X中的集合sf(s)是s的一个元素

那么,选择公理表示:

对于所有的集族,均存在选择函数。

上述可表示为:

\forall X \left[ \emptyset \notin X \implies \exists f \colon X \rightarrow \bigcup X \quad \forall A \in X \, ( f(A) \in A ) \right] \,.

或者:

设X是一个集族,则存在着在X上定义的一个选择函数f。

该定理也可表達為:

集族上的任意笛卡尔积總是非空的。

变体[编辑]

第二个版本的选择公理声称:

给定由相互不交的非空集合組成的任何集合,存在着至少一个集合,它與每个非空集合恰好有一个公共元素。

第三个版本声称:

对于任何集合AA幂集(減去空集)有一个选择函数。

使用这个版本的作者通常谈及“在A上的选择函数”,但要注意这裡选择函数的概念是稍微不同的。它的定義域A的幂集(减去空集),因此对任何集合A有意义;至於本文中其他地方用的定义,在“集合的搜集”上的选择函数的定義域是这个搜集,所以只对集合的集合有意义。透過這個變體的定義,选择公理也可以简洁的陈述为

所有集合有一个选择函数。[3]

它等价于

对于任何集合A有一个函数使得对于A的任何非空子集Bf(B)\in B

而选择公理的否定表达为:

有一个集合A使得对于所有函数f(在A的非空子集的集合上),有一个B使得f(B) \notin B

术语(AC,ZF,ZFC)[编辑]

以下列出了这篇条目中各种“选择公理”的缩写:

用途[编辑]

直到19世纪晚期,选择公理的使用一直都没有得到明确声明。例如,建立了只包含非空集合的集合X之后,数学家可以说"设对于X中所有sF(s)s的成员之一"。一般來说,要是不用选择公理,是不可能证明F的存在性的。這一點直到Zermelo之前似乎没有引起人们的注意。

不是所有的情況都需要选择公理。选择公理对于那些没有可定义的选择才有必要。值得指出的是,对于有限集合X,选择公理的有限版本可以通过其他集合论公理推导得出。在这种情况下,它等价于说我们有多个(有限数目的)盒子,每个包含至少一个物体,则我们可以从每个盒子恰好选择一个物体。顯然我们可以这么做:從第一个盒子開始,选择其中的一个物体;到下一个盒子,选择一个物体;如此类推。因为盒子數量有限,所以我们的选择过程最后一定会结束。这里给出的选择函数是明确的:第一個盒子對應于第一个選擇的物体,第二個盒子對應于第二个選擇物体;如此类推——此法之所以可行,是因为序对公理的原因。可以通过数学归纳法做出对所有有限集合的形式证明。

例子[编辑]

对于特定的无限集合X,也可以避免使用选择公理。例如,假设X的元素是自然数的集合。每个自然数的非空集合都有一个最小元,所以要指定我们的选择函数,我们可以简单的把每个集合映射到这个集合的最小元。这使得我们可以从每个集合明确地选择元素,以及写出一个明确的表达式,说明我们的选择函数如何取值。在能夠指定一個明确选择方式的时候,选择公理都是没有必要的。

當缺乏从每个集合得到元素的直觀选择方式时,困难就出现了。如果我们不能做明确的选择,我们如何知道我们的这个集合存在?例如,假设X实数的所有非空子集的集合。首先我们也許想套用有限的情況去处理X。如果我们尝试从每个集合选择一个元素,那么,因为實數集合是无限不可數,我们的选择过程永远不会结束。亦因如此,我们永远不能生成对X的成员的选择函数。所以这種方法不能奏效。其次我们可以尝试給每个集合指定最小元素這種方式。但是某些实数的子集没有最小元素。例如,开区间 (0,1) 没有最小元素:如果x在 (0,1) 中,则x/2也在其中,而x/2总是严格的小于x。所以這種方法也不行。

我们之所以能够从自然数的非空子集选择最小元素,是因為自然数上有一個自然良序:所有自然数的非空子集都有一个唯一的最小元素。

因此,我們可以采取這樣的思路,「即使实数的正常排序並非良序,也有可能找到一个排序使得实数是良序的。在这个排序下,總能夠选择实数非空子集的最小元素。這樣便得到了選擇函數」。问题就变成如何构造这样的排序。而事實上,“存在一个排序使得所有集合可以是良序的”這一命題成立,当且仅当选择公理为真。

有必要用到选择公理的证明总是非构造性的:即使证明給出了一个对象,精确地说出那个对象卻是不可能的。如果我们不能写出选择函数的定义,则我们的选择就不是非常明确的。这是一些数学家不喜欢选择公理的理由之一。例如,构造主义者论断说所有涉及存在性的证明都应当是完全明确的;构造任何存在的对象应当是可能的。他们拒绝选择公理[來源請求],因为它断言了不能具體描述是什么的对象的存在。

构造性数学[编辑]

像上面讨论的那样,在ZFC中,选择公理能为一个不能明确构造出的对象给出“非构造证明”来证明其存在性。然而,ZFC在古典逻辑中还只是形式化的存在,意即古典逻辑中认为选择公理显然成立。但在构造性数学领域,即使没有古典逻辑,选择公理仍被深入研究。在可构造数学的不同分类中,选择公理的发展情况也不尽相同。

直觉类型论和高阶的Heyting算法中,选择公理恰当的表述为(依照使用方法):一个公理和一个可证明的理论[4]埃里特‧畢夏普英语Errett Bishop认为选择公理是可构造的[5]

在构造性数学中选择函数是存在的,因为每一个选择都隐含着存在的真正含义。

但在集合的构造理论中,迪亚科内斯库定理表明选择公理要以排中律的成立为前提(不同于直觉类型论)。因此选择公理在集合的构造理论中不总是成立。 在类型理论中的选择公理与在集合构造理论中的选择公理的区别是,前者不具有外延性而后者具有[6]

一些集合构造理论的结果用到了可数选择公理限定选择公理,这些不需要排中律作前提。尽管可数选择公理在数学构造中的应用十分广泛,但它并不完善[7]

强形式公理[编辑]

可构造性公理连续统假设都隐含了选择公理,或为比之强的公理[8]。在类域论中,如冯诺伊曼-博内斯-哥德尔集合论策梅洛-弗兰克尔集合论,可能存在一个叫全局选择公理的理论,它比选择公理要强,因其同时也适用于真类。全局选择公理可由大小限制公理推出。

结论[编辑]

哥德尔证明了选择公理的相对协调性。保罗·寇恩力迫法证明了选择公理的独立性。

参见[编辑]

参考资料[编辑]

脚注[编辑]

  1. ^ Zermelo 1904.
  2. ^ Jech, 1977, p. 348ff; Martin-Löf 2008, p. 210. According to Mendelson 1964,第201页: The status of the Axiom of Choice has become less controversial in recent years. To most mathematicians it seems quite plausible and it has so many important applications in practically all branches of mathematics that not to accept it would seem to be a wilful hobbling of the practicing mathematician.
  3. ^ Patrick Suppes, "Axiomatic Set Theory", Dover, 1972 (1960), ISBN 0-486-61630-4, pp 240
  4. ^ Per Martin-Löf, Intuitionistic type theory, 1980. Anne Sjerp Troelstra, Metamathematical investigation of intuitionistic arithmetic and analysis, Springer, 1973.
  5. ^ Errett Bishop and Douglas S. Bridges, Constructive analysis, Springer-Verlag, 1985.
  6. ^ Per Martin-Löf, "100 Years of Zermelo’s Axiom of Choice: What was the Problem with It?", The Computer Journal (2006) 49 (3): 345-350. doi: 10.1093/comjnl/bxh162
  7. ^ Fred Richman, “Constructive mathematics without choice”, in: Reuniting the Antipodes—Constructive and Nonstandard Views of the Continuum (P. Schuster et al., eds), Synthèse Library 306, 199–205, Kluwer Academic Publishers, Amsterdam, 2001.
  8. ^ Devlin, Keith. Constructibility. Springer-Verlag. 1984. ISBN 3-540-13258-9. 

书籍[编辑]

Translated in: Jean van Heijenoort, 2002. From Frege to Godel: A Source Book in Mathematical Logic, 1879-1931. New edition. Harvard Univ. Press. ISBN 0-674-32449-8
  • 1904. "Proof that every set can be well-ordered," 139-41.
  • 1908. "Investigations in the foundations of set theory I," 199-215.
  • Gregory H Moore, "Zermelo's axiom of choice, Its origins, development and influence", Springer; 1982. ISBN 0-387-90670-3
  • Paul Howard and Jean Rubin, "Consequences of the Axiom of Choice". Mathematical Surveys and Monographs 59; American Mathematical Society; 1998.

外部链接[编辑]

  • Paul Howard at EMU有很多人仍然在为选择公理和它的推论而乐此不疲地工作。如果你有兴趣了解更多内容,请参考这个网站。