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  • ZF集合论公理体系小结

    在介绍ZFC公理化集论之前要先引入不加定义的概念和关系(原始概念和关系是必须的,因为无法再用更简单的东西来定义它们).ZFC集论有两个不加定义的原始概念:对象,集合.在对象和集合之间,有一个不加定义的原始关系:属于$\in$.

    公理1:任意对象$x$和任意集合$A$,下面两种有且仅有一种成立.

    (1)$x\in A$

    (2)(1)不成立.

    当$x$和$A$是情形2时,简记做$x\not\in A$.

    公理2:一切集合都是对象.

    由公理1和公理2易知

    定理1:任意两个集合$A$,$B$,$A\in B$ 或$A\not\in B$.

    公理3:集合的相等:两个集合$A$和$B$,$A=B$当且仅当$$\forall x\in A\Leftrightarrow x\in B$$.

    定义了集合的相等之后,我们要验证集合相等定义的合理性.什么叫验证集合相等定义的合理性呢?在数学中,两个对象$x$和$y$在满足了四个条件之后,才有可能是相等的.如果我们强硬规定两个对象相等,而这两个对象却无法同时满足那四个条件,那么规定这两个对象相等就是不合理的.所以验证集合相等定义的合理性就是验证是否满足这四个条件.这四个条件分别是:

    自反性:任何一个对象$x$,都有$x=x$.


    对称性:两个同一类的对象$x$和$y$,如果$x=y$,那么$y=x$.


    传递性:三个同一类的对象,若$x=y$,$y=z$,则$x=z$.


    互替性:两个同类对象$x$和$y$,若$x=y$,则对于一切和$x$有关运算或命题,把$x$用$y$替换掉之后,如果是运算,那么运算结果相等.如果是命题,那么命题与原来的命题等价.

    集合相等的自反性,对称性和传递性验证都是不难的.下面验证集合相等关于$\in$的合理性,也就是互替性的验证.$x\in A$,$A$被$B$替代而得到的$x\in B$,根据定义,$x\in A$和$x\in B$是等价的.所以集合相等的互替性验证对于$\in$关系来说是成立的.集合相等的互替性验证对于其它关系(比如$\bigcap$,$\bigcup$等等)的合理性以后慢慢说,因为我们目前对于集合还只定义了$\in$.


    到目前为止,我们讨论集合与对象的关系,集合相等的定义,但是我们还没见到具体的集合.我们用公理规定出一个具体的集合来.

    公理4:空集的存在性:存在这么一个集合,用$\emptyset$来标记它.对于一切对象$x$,$x\not\in\emptyset$.


    定理2:空集是唯一的.

    证明:假若空集不是唯一的,设$\{\}$和$\{\}'$都是空集.下面来证明$\{\}=\{\}'$.所以要证明,$$x\in\{\}\Leftrightarrow x\in\{\}'$$
    这根据逻辑中的假能推出假原理,是成立的.


    定理3:若一个集合不是空集,则叫它非空集合.假若存在非空集合$A$,那么必存在对象$x$,$x\in A$.

    证明:反证.假若对于一切对象$x$,$x\not\in A$,下证$A=\emptyset$.即证$$x\in A\Leftrightarrow x\in\emptyset$$
    这根据逻辑中的假推出假原则是成立的.因此$A=\emptyset$,矛盾.因此存在对象,这个对象属于$A$.


    只有空集的集合论是无聊的,因此

    公理5:单元素集的存在性:如果$a$是一个对象,那么存在这么一个集合,用$\{a\}$来标记它,属于$\{a\}$的对象只有一个$a$.也就是说:$$x\in\{a\}\Leftrightarrow x=a$$


    只有$\emptyset$和单元素集的集合论也是无聊的.我们要借助数学归纳法形成2元素集,3元素集……因此

    公理6:双并公理:给定两个集合$A$,$B$,存在一个集合$A\bigcup B$,满足$$x\in A\bigcup B\Leftrightarrow x\in A\mbox{或(包含性的或,而非排斥性的或)}x\in B$$


    既然定义了双并,我们就要验证集合的双并这种运算是否关于集合相等是合理的.即验证当$A=C$时$C\bigcup B=A\bigcup B$,验证是容易的,关键是要有这种意识.接下来要做的事是定义子集的概念,这不再以一个公理的面貌出现,因为子集的观念是建立在已出现的概念之上的.因此,集合之间的子集关系也不必验证关于集合相等的合理性.由于子集的概念平常书上都有,所以这里就不再列出.

    注:用單元素的存在性公理和雙並公理可以推出數對公理(axiom of pair).


    有时候,人们会希望从某个集合中挑出一部分具有某种特定性质的元素,然后把这些挑出的元素形成另一个集合.

    公理7:分离公理:设$A$是一个集合,并对于每个$x\in A$,$M(x)$是关于$x$的一个性质($M(x)$非对即错).那么存在一个集合$\{x\in A:M(x)\mbox{成立}\}$,它满足$$x\in\{x\in A:M(x)\mbox{成立}\}\Leftrightarrow M(x)\mbox{成立}$$


    我们要验证分离公理关于集合相等的合理性.即验证当$A=A'$时,$\{x\in A:P(x)\mbox{成立}\}=\{x\in A':M(x)\mbox{成立}\}$.验证是很容易的,关键是要有这样的意识.

    使用分离公理,我们能定义两个集合的交,两个集合的差集.两个集合的交和差集不再以公理面貌出现,因为他们建立在已定义过的概念之上.所以也不必检验关于集合相等的合理性.此后,会有重要的摩根律.由于他们在平常书上都有,所以此处略去.


    比公理7更强的是


    公理8:替换公理:设$A$是一个集合.对于任意的对象$x\in A$和任意的对象$y$,假设有一个关于$x,y$的命题$P(x,y)$.使得对于每一个$x\in A$至多存在一个$y$使$P(x,y)$成立.那么存在一个集合$\{y:P(x,y)\mbox{对于某}x\in A \mbox{成立}\}$,它满足
    $$y\in\{y:P(x,y)\mbox{对于某}x\in A\mbox{成立}\}\Leftrightarrow P(x,y)\mbox{对于某}x\in A\mbox{成立}$$


    易得,替换公理关于集合相等是合理的,即当$A=A'$时,$\{y:P(x,y)\mbox{对于某}x\in A\}\mbox{成立}=\{y:P(x,y)\mbox{对于某}x\in A'\mbox{成立}\}$.


    定理4:替换公理蕴含分离公理

    证明:令$P(x,y)$是这样一个性质:当$M(x)$不成立时,$y=x_0$(其中$x_0$是一个固定的,且使$M(x_0)$成立的元素.)当$M(x)$成立时,$y=x$.根据替换公理,所有满足条件的$y$能形成一个集合.易得,所有满足条件的$y$形成的正是这样一个集合:$\{x\in A:M(x)\mbox{成立}\}$.

    我们之前引入了空集,之后的双并公理能让我们构造任意大的有限集合.但是下面的这条公理引进了无限(这是不正式的说法,因为我们还没有正式定义有限和无限).


    无限公理:存在一个集合$\mathbb{N}$,它的所有元素都是自然数.(自然数的皮亚诺公理理论,请见这里

    ZF集合論還包括了正則公理,見這篇博文.

    引入了無限公理後,還會有冪集公理和並公理.

    並公理:

    注:由單元素集的存在性公理和並公理能推出雙並公理.有人或許會說,公理怎麼可以互相推導呢?請注意,一個公理體系內公理最好具有獨立性,但是即使不具有獨立性也不妨,因爲只要不存在矛盾就可以了.

    還有冪集公理:

    注意,冪集公理還有另外一種敘述方式,但是這兩種方式其實是等價的.見「陶哲軒實分析」 習題 3.5.11 註記 由冪集公理的兩種等價表述而想到的函數的定義問題 .

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