良序定理

良序定理

良序定理(Well-ordering Theorem)聲稱所有集合都可以被良序排序。在ZF公理集合論系統中,它與選擇公理和佐恩引理是等價的。

良序定理是選擇公理的等價形式之一。其內容為:對任何集合S,存在S上的二元關係R,使得<S,R>是良序集。它意味著:任何集合都可以良序化。德國數學家策梅羅於1904年提出了這一定理,並在選擇公理的基礎上給出了定理的證明。

基本介紹

  • 中文名:良序定理
  • 外文名:Well-ordering Theorem
  • 含義:聲稱所有集合都可以被良序排序
  • 意義:良序定理是非常重要的,因為它確
  • 類別:數學
  • 提出時間:1904年
定義,基本概念,與選擇公理的關係,ZFC中的證明,反推選擇公理,意義,

定義

選擇公理的一種等價形式.該定理斷言:每一個集合可以被良序.早在1883年,德國數學家康托爾(Cantor,G.(F.P.))發明基數理論之時,他就提出了連續統的大小問題,並且假定全體實數的集合(連續統)可以被良序.由於這個良序時至今日仍未找到,所以康托爾的假定一直遭到強烈反對.1904年,德國數學家策梅洛(Zermelo,E.F.F.)給出了選擇公理的明確表達,並用之證明了每個集合是可被良序的.不久,又證明了良序定理與選擇公理是等價的.由良序定理可知,每一集合序同構於某個序數,又可基等價於某個基數,從而給人們帶來了極大的方便,例如,可以在任何集合上套用超窮歸納的證明方法。
所有集合都是可良序的。集合論的重要定理之一。德國邏輯學家策梅羅(E.Zermelo)1904年首次證明。包括選擇公理在內的集合論公理,能證明良序定理;由除選擇公理以外的集合論公理,加上良序定理,也能證明選擇公理。
選擇公理的等價形式之一。其內容為:對任何集合S,存在S上的二元關係R,使得<S,R>是良序集。它意味著:任何集合都可以良序化。德國數學家策梅羅於1904年提出了這一定理,並在選擇公理的基礎上給出了定理的證明。

基本概念

定義稱C
PXP是良序的,若C的任何非空子集均有極小元;
稱C
PxP是逆良序的,若C的任何非空子集均有極大元;
稱A
PxP在PxP中是相對良序完備的,若A的任一個良序集或逆良序集在PxP中有上確界和下確界,若A=PxP,則稱PxP是良序完備的。

與選擇公理的關係

ZFC中的證明

良序定理是一條ZFC公理集合論系統中的定理。它可以由佐恩引理證明如下:
對任意集合S,為了證明存在S上的一個良序,令集合P為所有S的子集上的良序(嚴格來說,P的元素是S的子集和其上的良序關係組成的有序對)。對任意A,B∈P,定義A≤B若且唯若A是B的一個前段。(P,≤)構成一偏序集,且對這個偏序集的任意鏈,取其中所有良序的並,則得到這條鏈的一個上界。套用佐恩引理,得到P有一個極大元M。M必然是整個S的一個偏序,否則若x是不在M中的一個S的元素,把x接到M後面得到M',則M'∈P且M≤M',與M的極大性矛盾。定理得證。

反推選擇公理

在ZF中,由良序定理可以簡單地證明選擇公理:
對任意由非空集合組成的集合A,取A的並集S,由良序定理,S是可以良序的。A中的任意集合X都是S的非空子集,故根據這個S的良序,可以選出一個最小元素x。這種選擇是滿足替換公理模式的條件的,故套用替換公理模式,即證明了選擇公理。
由此可見,在ZF中良序定理和選擇公理是等價的,故在有些ZFC公理系統的表示中,良序定理代替了選擇公理。

意義

良序定理是非常重要的,因為它確保所有集合適用超限歸納法的強力技術。
康托爾認為良序定理是“思維的基本原理”。但是多數數學家發現想像如實數集合R這樣的良序集合是困難的。在 1904年,Julius K&ouml;nig聲稱已經證明了這種良序不能存在。幾周之後,費利克斯·豪斯多夫在他的證明中發現了一個錯誤。恩斯特·策梅洛接著引入了選擇公理作為證明良序定理的“不討厭的邏輯原理”。這揭示了良序定理等價於選擇公理,在它們中的一個和Zermelo-Fraenkel公理一起足夠證明另一個的意義上。
良序定理已經推出似乎是悖論的推論,比如巴拿赫-塔斯基悖論

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