onDrag▫ OK资资不倦
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集合论, ZF(C)公理 在19世纪, 数学家希望给数学分析建立一个十分强大的基础. 这个时期的数学家问了一个非常经典的问题: 无穷的本质是什么? 它们只是 "有限" 的反面而不能加以细分吗? 它们可以有不同的 "大小" ("阶") 吗? 在1871-1883年间, 康托尔 (Georg Cantor) 利用基数 (cardinal number), 序数 (ordinal number) 和良序集 (well-ordered set) 的语言对这个问题作了回答. 观察, 如果两有限集合A, B中的元素可以一一对应, 也即A与B之间存在双射, 那么A的元素个数等于B的元素个数. 基于此, 康托尔定义等势 (equipotence) 的概念: 如果两集合之间存在双射, 那么成这两个集合等势. 在这个视角下, 无穷被分成很多阶, 这些阶都具有不同的 "大小". 例如, 最 "小" 的无穷集合是自然数集. 与它等势的有整数集, 有理数集, 和 (有些反直觉的) 代数数集. 比它 "大" 的集合有例如实数集, 复数集. 为了证明实数集与自然数集不等势, 康托尔利用了著名的对角线证法: 假设存在自然数与[0,1)内实数之间的一一对应, 例如i对应到x_i, 取x_i的二进制展开, 然后写下一个新的实数: 小数点后第i位与x_i的第i位不同. 这个实数没有被任何一个自然数对应上! 事实上, 可以看出: 康托尔实际上证明了一个集合的幂集总是比原来的集合 "大", 即, 不存在A到P(A)的双射, 但存在A到P(A)的单射. (注: A的幂集P(A)为A的所有子集构成的集合.) 现在出现了一点... 小问题. 如果是这样的话, 我们取M为包含所有集合的集合, 那么当然M包含于P(M). 但是P(M)比M要 "大", 矛盾! 为了解决这种矛盾, 数学家决定把集合的概念严格地公理化, 防止悖论的产生. 下面是这个帖的重要部分. (译名可能不标准, 请谅解.) 着手干这件事情, 而且十分成功的人是Ernst Zermelo. 他的公理系统现在被称为ZF公理系统 (ZF代表Zermelo-Fraenkel). 首先, 我们要定义一些必要的符号. 一个公式可以包含一些变量, 例如x, y, z, u, v, x_1, y_1, 等等; 和一些逻辑符号, 例如↔, →, ∨, ∧, ¬, ∀, ∃, (, ); 还有谓词等号=和属于∈; 还有描述算子ι, 表示 "满足...的东西". I. 若s, t为项 (term), 那么(s∈t)和(s=t)都是公式 (formula). II. 若A, B为公式, 而x为变量, 那么(A↔B) (等价于), (A→B) (推出), (A∨B) (或), (A∧B) (且), ¬A (非), ∀xA (任取), ∃xA(存在) 都是公式, 而x是项. 上面的两条规则描述了所有可能的公式; 例如, "x是y的子集" 可以描述为 "∀z(z∈x→z∈y)", 以下把这个公式记为x⊆y. "z的幂集是w" 可以描述为 "∀y(y∈w↔y⊆z)". III. 空集的存在性. ∃∅∀y(¬y∈x). 在集合论中, 可以把无条件的 "∃x" 理解为 "这样的x是一个集合", 因为不是所有东西都是集合 (罗素悖论警告). IV. 无序对 {x, y}. ∃u∀z((z∈u)↔((z=x)∨(z=y))). V. 并集∪z (理解为 "z中所有集合之并"). ∃y∀x(x∈y↔∃t(t∈z∧x∈t)). VI. 幂集P(z). ∃y∀x(x∈y↔x⊆z). 从III, IV, V, VI我们已经能构造出一些集合了, 例如∅, {∅}, {∅, {∅}}等. 值得注意的时, IV还保证了: 若x存在, 那么{x}也存在. 我们经常用描述法构造集合, 但是众所周知这样容易出问题 (罗素悖论). 所以我们有必要加以限制: VII. (separation axiom scheme) 描述法{x∈z: A(x)}. 对公式A(x), ∃y∀x(x∈y↔x∈z∧A(x)). 根据VII, 我们就不能写下{x: x不属于x}这种东西了, 因为它要求我们在使用描述法时都事先框定一个范围z. VIII. (axiom of infinity) 自然数集的存在性. ∃z(∅∈z∧∀u(u∈z→ ∪{u,{u}}∈z)). 说人话: 存在一个集合z, 满足∅在z里, 而且每一个z中的元素u都有后继数u∪{u} (注意, 我们还没有A∪B的记号, 只能写∪{A, B}). 如果我们把∅看成是0, 那么1={∅}, 2={∅, {∅}}, 3={∅, {∅, {∅}}}, 以此类推. 把这样的集合放在一起, 得到的z就是自然数集, 记作N. IX. (axiom of foundation) 没有无限递降链 (x2∈x1, x3∈x2, x4∈x3, ...). ∀x(¬x=∅→∃y(y∈x∧y∩x=∅)). 从IX可以推出 "包含所有集合的集合" 不存在; 否则如果它存在, 记为M, 那么 ...∈M∈M∈M∈M, 无穷递降! 同时, 它也推出了自然数集中的最小数原理. X. (replacement axiom scheme) 理解为: 把z中的每个元素v用一个对应法则A(x,v)替换成x, 可以得到新的集合y. ∃y∀x(x∈y↔∃v(v∈z∧A(x,v))), 其中对每个v, 都只有一个t满足A(t,v). I ~ X构成了ZF公理系统. XI. (axiom of choice) 著名的选择公理. 理解为 "给你一堆集合, 你可以从每一个集合中挑一个元素出来, 构成一个新的集合". ∀z∃w(Fnc(w)∧∀x(x∈z∧¬x=∅→w′x∈x)), 其中Fnc(w)定义为∃v(w⊆v×v)∧∀uv1v2(⟨u,v1⟩∈w∧⟨u,v2⟩∈w→v1=v2), w′x定义为满足⟨x,y⟩∈w的唯一的y, ⟨x,y⟩定义为{{x},{x,y}}, x×y定义为{z:∃uv(z=⟨u,v⟩∧u∈x∧v∈y)}. (说人话: Fnc(w)定义为 "w是一个函数".) I ~ XI构成了ZFC公理系统. 值得注意的是XI等价于Zorn引理, 良序化公理, 等等, 而且无法用I ~ X证出. 这些ZF(C)公理完美地解决了各种罗素式的悖论, 应用也十分广泛. 例如, 我们定义整数集为Z={0,1}×N, 就是给每个自然数n加上一个标记(0或1), 如果是1, 就可以理解成正n, 如果是0, 就理解成-n-1 (-1是为了防止0被定义两次). 有理数集就直接定义成互素整数对. 实数集就有很多定义方法了, 这里不再赘述. ------------------------ 所以以后再有人纠结公理什么的就把这个帖子拍他脸上.
我个人了解的也并不深入, 但是既然有民科跟我扯起这个来了我就把基本常识发一下. 主要参考Steve Awodey的Category Theory. 译名可能不标准, 请谅解. 一. 范畴的定义 一个范畴 (category) 包含 1. 一些对象 (objects). (就是, 额, 一些东西, 随便什么东西都行) 2. 一些态射 (arrows, morphisms). (可以理解成对象之间的函数) 每个态射f都有两个对象cod(f)=A, dom(f)=B (分别是陪域 (codomain) 和域 (domain)), 记为f: A→B. (A, B可以相同). 3. 如果f: A→B, g: B→C, 那么态射的复合 (composite) g◦f: A→C也是态射. (可以理解成函数的复合) 4. 每个对象A都有一个态射1_A: A→A. (可以理解成恒同映射) 5. 复合要满足结合律: 若f: A→B, g: B→C, h: C→D, 那么必有h◦(g◦f)=(h◦g)◦f. 6. 1_A要满足: 任何f: A→B, 有f◦1_A = f = 1_B◦f. 任何满足1, 2, 3, 4, 5, 6的东西都是范畴. 这里的东西也是... 任何东西, 甚至不必要是集合 (可能是proper class). 举几个很简单的例子: 1. 以所有集合为对象, 集合之间的任意函数为态射构成的范畴, 态射的复合就是函数的复合. 2. 一些 "有结构的集合", 例如 2.1 以所有群为对象, 群之间的同态为态射. 2.2 以所有线性空间为对象, 空间之间的线性映射为态射. 2.3 以所有图为对象, 图之间的同态为态射. 2.4 以所有实数为对象, 定义在实数集上的连续函数为态射. 2.5 以所有拓扑空间为对象, 空间之间的连续映射为态射. 2.6 以所有偏序集为对象, 偏序集之间的单调映射为态射. 3. (这个例子很不同) 以所有集合为对象, **集合之间的二元关系为态射**, 也就是说, 对集合A, B, A×B的任意子集f都是A→B的态射. 复合定义为: 若f: A→B, g: B→C, 有(a,c)∈g◦f当且仅当存在b使(a,b)∈f而(b,c)∈g. 1_A定义为: {(a,a): a∈A}. 例3揭示了态射不一定要是映射或是这类东西, 它真的就是任何东西, 只要满足3, 4, 5, 6的条件. 4. 一些有限范畴 (1_A省去):可以看出范畴论研究的重点对象就是态射, 一种 "映射", "同态" 这些东西的一般化. 所以自然地范畴之间也应该有类似于 "态射" 的东西. 于是, 人们引入函子 (functor) 的概念. 设C, D都是范畴, 则一个函子F: C→D是这样的一个... "东西": 1. F(C中的某个对象)=D中的某个对象. 2. F(C中的某个态射)=D中的某个态射. 3. F(f:A→B)=F(f):F(A)→F(B). 4. F(1_A)=1_F(A). 5. F(g◦f)=F(g)◦F(g).所以函子就是保持范畴结构的某种映射.
良序与实数系 最近被一些人逼急了. 在此讨论一下这些东西. 1. 良序和良序化 定义在集合S上的良序<应满足如下条件: S的任何非空子集在<下均有最小元. 举个例子, 正整数集上的 "小于" 序关系就是一个良序 (这通常被称为最小数原理). 然而, 实数上的 "小于" 不是良序 (例如集合 {x∈R : x > 2} 就没有最小元). 在ZF公理系统下, 集合之间的∈关系也是良序 (由Axiom of Foundation保证: ∀x((¬x=∅)→∃y(y∈x⋀∀z(z∈x→¬z∈y))).). 良序化, 顾名思义, 就是说给一个集合配备一个良序. 正整数集可以被良序化. 整数集也可以, 但不能用通常定义的序 (例如, 可以定义x<y当且仅当|x| < |y|或(|x| = |y| 且 x > 0 > y), 这个<是良序). 那良序化原理是什么呢? 它说, 任何一个集合都可以被一个合适的序给良序化. 这在ZF中和著名的选择公理等价. 例如, 虽然在实数集中通常意义下的 "<" 关系不是良序, 但是一定可以找到另一个序, 它是实数集上的良序. 2. 实数系 实数系是任何满足如下几个条件的集合. 1. 序条件 1.1 对任意a, b, a<b, a=b, a>b中必有一个成立. 1.2 若a<b, b<c则a<c. 2. 加法 2.1 ∀a, b, 它们的和a+b唯一存在. 2.2 a+b=b+a. 2.3 a+(b+c)=(a+b)+c. 2.4 ∃唯一的0, a+0=a. 2.5 ∀a, ∃唯一的-a, a+(-a)=0. 2.6 若a<b, 则∀c, a+c<b+c. 记a+(-b)为a-b. 3. 乘法 3.1 ∀a, b, 它们的乘积ab唯一存在. 3.2 ab=ba. 3.3 a(bc)=(ab)c. 3.4 ∃唯一的1, a1=a. 3.5 ∀a, ∃唯一的1/a, a(1/a)=1. 3.6 若a<b且c>0则ac<bc. 记a(1/b)为a/b. 从现在起, 1+1记为2, 2+1记为3, 等等; 1, 2, 3, ...称为正整数; 0, 1, 2, ..., -1, -2, ...称为整数. 4. 分配律: (a+b)c=ac+bc. 5. Archimede性质: ∀a, 存在整数n, 使n>a. 6. 连续性, 即闭区间套定理, 不再赘述. 在此基础之上有若干种实数系的构造方式. 最有名的应该是Dedekind分割. 若有理数集的划分(A|B)满足 对每个a属于A, b∈B均有a<b, 则将(A|B)称为一个Dedekind分割. 所有的Dedekind分割可以构成一个实数系. 当然也可以用Cauchy序列定义实数系: Q上所有Cauchy序列商去等价关系 "|an - bn|的在Q中极限为0" 后构成一个实数系. 甚至可以直接用十进制小数定义.将 a . a1 a2 a3 ... an ... 称为一个十进制小数. 将以下两个十进制小数视为相等: a . a1 a2 ... an 9 9 9 ... a . a1 a2 ... (an+1) 0 0 0 ... (十分有趣的是这个定义一上来就摆明了0.999...=1, 哈哈哈.) 简单来说, 这样的十进制小数也构成一个实数系. 限于篇幅, 如何基于以上定义定义加法和乘法就不再叙述, 自行查看 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fencyclopediaofmath.org%2Fwiki%2FReal_number&urlrefer=4f525332537a55877e4c03b00f6caed8 或 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fncatlab.org%2Fnlab%2Fshow%2Freal%2Bnumber&urlrefer=fbdbda0fe217db434845f9b61c74cd2a . -------------------------------------------------------- 没有啦.
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