Гипотеза континуума - Continuum hypothesis

Эта статья посвящена гипотезе теории множеств. Для предположения в механике жидкости см. Предположение о континууме.

В математика, то гипотеза континуума (сокращенно CH) - гипотеза о возможных размерах бесконечные множества. Говорится:

Нет набора, чей мощность находится строго между целые числа и действительные числа.

В Теория множеств Цермело – Френкеля с аксиома выбора (ZFC), это эквивалентно следующему уравнению в числа алеф: ${displaystyle 2^{aleph _{0}}=aleph _{1}}$.

Гипотеза континуума была выдвинута Георг Кантор в 1878 году, и установление его истинности или лжи является первым из 23 проблемы Гильберта представлен в 1900 году. Ответ на эту проблему: независимый ZFC, так что либо гипотеза континуума, либо ее отрицание может быть добавлена ​​в качестве аксиомы к теории множеств ZFC, при этом результирующая теория согласована тогда и только тогда, когда ZFC согласована. Эта независимость была доказана в 1963 г. Пол Коэн, дополняя предыдущую работу Курт Гёдель в 1940 г.

Название гипотезы происходит от термина континуум для реальных чисел.

История

Кантор считал, что гипотеза континуума верна, и долгие годы тщетно пытался ее доказать (Dauben 1990 ). Он стал первым из произведений Дэвида Гильберта. список важных открытых вопросов который был представлен на Международный конгресс математиков в 1900 году в Париже. Аксиоматическая теория множеств на тот момент еще не было сформулировано. Курт Гёдель В 1940 году доказал, что отрицание гипотезы континуума, т. е. существования множества промежуточной мощности, не может быть доказано в стандартной теории множеств. Вторая половина независимости гипотезы континуума, т. Е. Недоказуемость отсутствия множества промежуточных размеров, была доказана в 1963 г. Пол Коэн.

Мощность бесконечных множеств

Основная статья: количественное числительное

Говорят, что два набора имеют одинаковые мощность или же количественное числительное если существует биекция (взаимно однозначное соответствие) между ними. Интуитивно для двух наборов S и Т иметь одинаковую мощность означает, что можно "разделить" элементы S с элементами Т таким образом, что каждый элемент S соединяется ровно с одним элементом Т наоборот. Следовательно, множество {банан, яблоко, груша} имеет ту же мощность, что и {желтый, красный, зеленый}.

С бесконечными наборами, такими как набор целые числа или же рациональное число, существование биекции между двумя множествами становится труднее продемонстрировать. Рациональные числа, по-видимому, образуют контрпример к гипотезе континуума: целые числа образуют собственное подмножество рациональных чисел, которые сами образуют собственное подмножество действительных чисел, поэтому интуитивно понятно, что рациональных чисел больше, чем целых, и больше реальных чисел, чем рациональных чисел. Однако этот интуитивный анализ ошибочен; он не принимает во внимание тот факт, что все три набора бесконечный. Оказывается, рациональные числа действительно могут быть поставлены во взаимно однозначное соответствие с целыми числами, и поэтому набор рациональных чисел имеет тот же размер (мощность) как набор целых чисел: они оба счетные множества.

Кантор дал два доказательства того, что мощность множества целые числа строго меньше, чем у множества действительные числа (видеть Первое доказательство несчетности Кантора и Диагональный аргумент Кантора ). Его доказательства, однако, не указывают, насколько мощность целых чисел меньше, чем мощность действительных чисел. Кантор предложил гипотезу континуума как возможное решение этого вопроса.

Гипотеза континуума утверждает, что набор действительных чисел имеет минимально возможную мощность, которая больше, чем мощность набора целых чисел. То есть каждый набор, S, действительных чисел можно либо взаимно однозначно преобразовать в целые числа, либо действительные числа могут быть взаимно однозначно преобразованы в S. Поскольку настоящие числа равномерный с powerset целых чисел, ${displaystyle |mathbb {R} |=2^{aleph _{0}}}$ и гипотеза континуума утверждает, что не существует множества ${displaystyle S}$ для которого ${displaystyle aleph _{0}<|S|<2^{aleph _{0}}}$.

Если предположить аксиома выбора, есть наименьшее кардинальное число ${displaystyle aleph _{1}}$ лучше чем ${displaystyle aleph _{0}}$, а гипотеза континуума, в свою очередь, эквивалентна равенству ${displaystyle 2^{aleph _{0}}=aleph _{1}}$ (Гольдрей 1996 ).

Независимость от ZFC

Независимость гипотезы континуума (CH) от Теория множеств Цермело – Френкеля (ZF) следует из совместной работы Курт Гёдель и Пол Коэн.

Гёдель (1940) показал, что CH не может быть опровергнут ZF, даже если аксиома выбора (AC) принимается (делая ZFC). Доказательство Гёделя показывает, что CH и AC выполняются в конструируемая вселенная L, an внутренняя модель теории множеств ZF, предполагая только аксиомы ZF. Существование внутренней модели ZF, в которой выполняются дополнительные аксиомы, показывает, что дополнительные аксиомы последовательный с ZF, при условии, что сам ZF совместим. Последнее условие не может быть доказано в самом ZF из-за Теоремы Гёделя о неполноте, но широко считается верным и может быть доказано с помощью более сильных теорий множеств.

Коэн (1963, 1964 ) показал, что CH не может быть доказан с помощью аксиом ZFC, завершая полное доказательство независимости. Чтобы доказать свой результат, Коэн разработал метод принуждение, который стал стандартным инструментом в теории множеств. По сути, этот метод начинается с модели ZF, в которой выполняется CH, и строит другую модель, которая содержит больше множеств, чем исходная, таким образом, что CH не выполняется в новой модели. Коэн был награжден Медаль Филдса в 1966 г. за доказательство.

Только что описанное доказательство независимости показывает, что CH не зависит от ZFC. Дальнейшие исследования показали, что СН не зависит от всех известных большие кардинальные аксиомы в контексте ZFC. (Феферман (1999) ) Более того, было показано, что мощность континуума может быть любой кардинальной, согласованной с Теорема Кенига. Результат Соловея, доказанный вскоре после результата Коэна о независимости гипотезы континуума, показывает, что в любой модели ZFC, если ${displaystyle kappa }$ кардинал бесчисленных конфинальность, то есть принудительное расширение, в котором ${displaystyle 2^{aleph _{0}}=kappa }$. Однако, согласно теореме Кенига, предположение ${displaystyle 2^{aleph _{0}}}$ является ${displaystyle aleph _{omega }}$ или же ${displaystyle aleph _{omega _{1}+omega }}$ или любой кардинал с конфинальностью ${displaystyle omega }$.

Гипотеза континуума тесно связана со многими утверждениями в анализ, набор точек топология и теория меры. В результате его независимости многие существенные догадки в этих областях, как впоследствии было показано, также независимы.

Независимость от ZFC означает, что доказательство или опровержение CH в ZFC невозможно. Однако отрицательные результаты Геделя и Коэна не повсеместно признаются как устранение всякого интереса к гипотезе континуума. Проблема Гильберта остается активной темой исследований; см. Вудин (2001a, 2001b ) и Кёллнер (2011a) для обзора текущего статуса исследования.

Гипотеза континуума была не первым утверждением, независимым от ZFC. Непосредственное следствие Теорема Гёделя о неполноте, который был опубликован в 1931 году, состоит в том, что есть формальное заявление (по одному для каждого подходящего Гёделевская нумерация схема), выражающая согласованность ZFC, которая не зависит от ZFC, предполагая, что ZFC согласован. Гипотеза континуума и аксиома выбора были одними из первых математических утверждений, не зависящих от теории множеств ZF.

Аргументы за и против гипотезы континуума

Гёдель считал, что CH ложно, и что его доказательство того, что CH согласуется с ZFC, только показывает, что Цермело – Френкель аксиомы не могут адекватно характеризовать универсум множеств. Гёдель был платоник и поэтому не испытывал проблем с утверждением истинности или ложности утверждений независимо от их доказуемости. Коэн, хотя формалист (Гудман 1979 ), также склонны к отклонению CH.

Исторически сложилось так, что математики, отдававшие предпочтение «богатым» и «большим» вселенная наборов были против CH, в то время как те, кто предпочитал "аккуратную" и "управляемую" вселенную, предпочитали CH. Параллельные аргументы приводились за и против аксиома конструктивности, откуда следует CH. В последнее время, Мэтью Форман указал, что онтологический максимализм фактически может использоваться для аргументации в пользу CH, потому что среди моделей, которые имеют одинаковые действительные числа, модели с «большим» набором действительных чисел имеют больше шансов удовлетворить CH (Мэдди 1988, п. 500).

Другая точка зрения состоит в том, что концепция множества недостаточно конкретна, чтобы определить, является ли CH истинным или ложным. Эту точку зрения еще в 1923 г. Сколем, даже до первой теоремы Гёделя о неполноте. Сколем утверждал, основываясь на том, что сейчас известно как Парадокс Сколема, и позже это было подтверждено независимостью CH от аксиом ZFC, поскольку этих аксиом достаточно, чтобы установить элементарные свойства множеств и мощностей. Чтобы возразить против этой точки зрения, было бы достаточно продемонстрировать новые аксиомы, поддерживаемые интуицией, и разрешить СН в том или ином направлении. Хотя аксиома конструктивности разрешает CH, это обычно не считается интуитивно истинным, как и CH обычно считается ложным (Кунен 1980, п. 171).

Были предложены, по крайней мере, две другие аксиомы, которые имеют значение для гипотезы континуума, хотя в настоящее время эти аксиомы не нашли широкого признания в математическом сообществе. В 1986 году Крис Фрейлинг представил аргумент против CH, показав, что отрицание CH эквивалентно Аксиома симметрии Фрейлинга, утверждение, основанное на доводах определенной интуиции о вероятности. Фрейлинг считает, что эта аксиома «интуитивно верна», но другие не согласны. Трудный аргумент против CH, разработанный В. Хью Вудин привлекает значительное внимание с 2000 года (Woodin2001a, 2001b ). Форман (2003) не отвергает аргумент Вудина полностью, но призывает к осторожности.

Соломон Феферман (2011) утверждал, что CH не является определенной математической проблемой. Он предлагает теорию «определенности», используя полуинтуиционистскую подсистему ZF, которая принимает классическая логика для ограниченных кванторов, но использует интуиционистская логика для неограниченных, и предполагает, что предложение ${displaystyle phi }$ математически "определен", если полуинтуиционистская теория может доказать ${displaystyle (phi lor eg phi )}$. Он предполагает, что CH не определен в соответствии с этим понятием, и предлагает, таким образом, считать, что CH не имеет истинностного значения. Питер Кёльнер (2011b) написал критический комментарий к статье Фефермана.

Джоэл Дэвид Хэмкинс предлагает мультивселенная подход к теории множеств и утверждает, что «гипотеза континуума основана на представлении о мультивселенной благодаря нашим обширным знаниям о том, как он ведет себя в мультивселенной, и, в результате, она больше не может быть решена так, как раньше надеялись». (Хэмкинс 2012 ). В родственном ключе Сахарон Шелах писал, что он «не согласен с чисто платонической точкой зрения, согласно которой интересные проблемы теории множеств могут быть решены, что нам просто нужно открыть дополнительную аксиому. Моя мысленная картина такова, что у нас есть много возможных теорий множеств, и все они соответствуют ZFC. " (Шела 2003 ).

Гипотеза обобщенного континуума

В гипотеза обобщенного континуума (GCH) утверждает, что если мощность бесконечного множества лежит между мощностью бесконечного множества S и что из набор мощности ${displaystyle {mathcal {P}}(S)}$ из S, то он имеет ту же мощность, что и любой S или же ${displaystyle {mathcal {P}}(S)}$. То есть для любого бесконечный кардинал ${displaystyle lambda }$ нет кардинала ${displaystyle kappa }$ такой, что ${displaystyle lambda <kappa <2^{lambda }}$. GCH эквивалентен:

${displaystyle aleph _{alpha +1}=2^{aleph _{alpha }}}$ для каждого порядковый ${displaystyle alpha }$ (Гольдрей 1996 ) (иногда называют Гипотеза кантора об алефах).

В числа Бет дайте альтернативное обозначение для этого условия: ${displaystyle aleph _{alpha }=eth _{alpha }}$ для каждого порядкового номера ${displaystyle alpha }$. Гипотеза континуума является частным случаем кардинального ${displaystyle alpha =0}$. GCH был впервые предложен Журден  (1905 ). (О ранней истории GCH см. Мур 2011 ).

Как и CH, GCH также не зависит от ZFC, но Серпинский доказал, что ZF + GCH влечет аксиома выбора (AC) (и, следовательно, отрицание аксиома детерминированности, AD), поэтому выбор и GCH не независимы в ZF; нет моделей ZF, в которых GCH держится, а AC выходит из строя. Чтобы доказать это, Серпинский показал, что из GCH следует, что каждая мощность n меньше некоторой число алеф, и, таким образом, можно заказать. Это делается путем демонстрации того, что n меньше, чем ${displaystyle 2^{aleph _{0}+n}}$ который меньше, чем его собственный Число Хартогса - здесь используется равенство ${displaystyle 2^{aleph _{0}+n},=,2cdot ,2^{aleph _{0}+n}}$; полное доказательство см. в Gillman (2002 ).

Курт Гёдель показал, что GCH является следствием ZF + V = L (аксиома о том, что каждый набор конструктивен относительно ординалов), и поэтому согласуется с ZFC. Поскольку GCH подразумевает CH, модель Коэна, в которой CH выходит из строя, является моделью, в которой GCH выходит из строя, и, таким образом, GCH не может быть доказан с помощью ZFC. В. Б. Истон использовал метод принуждения, разработанный Коэном, чтобы доказать Теорема истона, что показывает, что это согласуется с ZFC для произвольно больших кардиналов ${displaystyle aleph _{alpha }}$ не удовлетворить ${displaystyle 2^{aleph _{alpha }}=aleph _{alpha +1}}$. Много позже, мастер и Woodin доказал, что (в предположении непротиворечивости очень больших кардиналов) непротиворечиво, что ${displaystyle 2^{kappa }>kappa ^{+}}$ справедливо для каждого бесконечного кардинала ${displaystyle kappa }$. Позже Вудин расширил это, показав последовательность ${displaystyle 2^{kappa }=kappa ^{++}}$ для каждого ${displaystyle kappa }$. Карми Меримович (2007 ) показал, что для каждого п ≥ 1, согласно ZFC, для каждого κ, 2^κ это п-й преемник κ. С другой стороны, Ласло Патай (1930 ) доказал, что если γ - ординал и для каждого бесконечного кардинала κ, 2^κ является γ-м преемником κ, то γ конечно.

Для любых бесконечных множеств A и B, если есть инъекция из A в B, то есть инъекция из подмножеств A в подмножества B. Таким образом, для любых бесконечных кардиналов A и B, ${displaystyle A<B o 2^{A}leq 2^{B}}$ . Если A и B конечны, более сильное неравенство ${displaystyle A<B o 2^{A}<2^{B}}$ держит. Из GCH следует, что это строгое более сильное неравенство выполняется как для бесконечных кардиналов, так и для конечных кардиналов.

Значение GCH для кардинального возведения в степень

Хотя обобщенная гипотеза континуума относится непосредственно только к кардинальному возведению в степень с 2 в качестве основы, из нее можно вывести значения кардинального возведения в степень. ${displaystyle aleph _{alpha }^{aleph _{eta }}}$ во всех случаях. GCH означает, что (Хайден и Кеннисон 1968 ):

${displaystyle aleph _{alpha }^{aleph _{eta }}=aleph _{eta +1}}$ когда α ≤ β+1;

${displaystyle aleph _{alpha }^{aleph _{eta }}=aleph _{alpha }}$ когда β+1 < α и ${displaystyle aleph _{eta }<operatorname {cf} (aleph _{alpha })}$, куда ср это конфинальность операция; и

${displaystyle aleph _{alpha }^{aleph _{eta }}=aleph _{alpha +1}}$ когда β+1 < α и ${displaystyle aleph _{eta }geq operatorname {cf} (aleph _{alpha })}$.

Первое равенство (когда α ≤ β+1) следует из:

${displaystyle aleph _{alpha }^{aleph _{eta }}leq aleph _{eta +1}^{aleph _{eta }}=(2^{aleph _{eta }})^{aleph _{eta }}=2^{aleph _{eta }cdot aleph _{eta }}=2^{aleph _{eta }}=aleph _{eta +1}}$ , пока:

${displaystyle aleph _{eta +1}=2^{aleph _{eta }}leq aleph _{alpha }^{aleph _{eta }}}$ ;

Третье равенство (когда β+1 < α и ${displaystyle aleph _{eta }geq operatorname {cf} (aleph _{alpha })}$) следует из:

${displaystyle aleph _{alpha }^{aleph _{eta }}geq aleph _{alpha }^{operatorname {cf} (aleph _{alpha })}>aleph _{alpha }}$, к Теорема Кенига, пока:

${displaystyle aleph _{alpha }^{aleph _{eta }}leq aleph _{alpha }^{aleph _{alpha }}leq (2^{aleph _{alpha }})^{aleph _{alpha }}=2^{aleph _{alpha }cdot aleph _{alpha }}=2^{aleph _{alpha }}=aleph _{alpha +1}}$

Где для каждого γ GCH используется для приравнивания ${displaystyle 2^{aleph _{gamma }}}$ и ${displaystyle aleph _{gamma +1}}$; ${displaystyle aleph _{gamma }^{2}=aleph _{gamma }}$ используется как есть эквивалент аксиомы выбора.

Смотрите также

• Число Бет
• Мощность
• Ω-логика
• Проблема Ветцеля

Рекомендации

• Коэн, Пол Джозеф (2008) [1966]. Теория множеств и гипотеза континуума. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN  978-0-486-46921-8.
• Коэн, Пол Дж. (15 декабря 1963 г.). «Независимость гипотезы континуума». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 50 (6): 1143–1148. Bibcode:1963ПНАС ... 50.1143С. Дои:10.1073 / пнас.50.6.1143. JSTOR  71858. ЧВК  221287. PMID  16578557.
• Коэн, Пол Дж. (15 января 1964 г.). "Независимость гипотезы континуума, II". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 51 (1): 105–110. Bibcode:1964ПНАС ... 51..105С. Дои:10.1073 / пнас.51.1.105. JSTOR  72252. ЧВК  300611. PMID  16591132.
• Dales, H.G .; Вудин, В. Х. (1987). Введение в независимость для аналитиков. Кембридж.
• Даубен, Джозеф Уоррен (1990). Георг Кантор: его математика и философия бесконечного. Издательство Принстонского университета. стр.134 –137. ISBN  9780691024479.
• Эндертон, Герберт (1977). Элементы теории множеств. Академическая пресса.
• Феферман, Соломон (февраль 1999 г.). «Нужны ли математике новые аксиомы?». Американский математический ежемесячный журнал. 106 (2): 99–111. CiteSeerX  10.1.1.37.295. Дои:10.2307/2589047.
• Феферман, Соломон (2011). «Является ли гипотеза континуума определенной математической проблемой?» (PDF). Изучение границ независимости (цикл лекций в Гарварде).
• Форман, Мэтт (2003). «Была ли обоснована гипотеза континуума?» (PDF). Получено 25 февраля, 2006.
• Фрейлинг, Крис (1986). «Аксиомы симметрии: метание дротиков в линию действительных чисел». Журнал символической логики. Ассоциация символической логики. 51 (1): 190–200. Дои:10.2307/2273955. JSTOR  2273955.
• Гёдель, К. (1940). Непротиворечивость гипотезы континуума. Издательство Принстонского университета.
• Гиллман, Леонард (2002). «Два классических сюрприза относительно аксиомы выбора и гипотезы континуума» (PDF). Американский математический ежемесячный журнал. 109. Дои:10.2307/2695444.
• Гёдель, К .: Что такое проблема континуума Кантора?, переизданный в коллекции Benacerraf and Putnam Философия математики, 2-е изд., Cambridge University Press, 1983. Обзор аргументов Гёделя против CH.
• Голдрей, Дерек (1996). Классическая теория множеств. Чепмен и Холл.
• Гудман, Николас Д. (1979). «Математика как объективная наука». Американский математический ежемесячник. 86 (7): 540–551. Дои:10.2307/2320581. МИСТЕР  0542765. Этот взгляд часто называют формализмом. Более или менее подобные позиции можно найти у Хаскелла Карри [5], Авраама Робинсона [17] и Пола Коэна [4].
• Хэмкинс, Джоэл Дэвид (2012). «Теоретико-множественная мультивселенная». Rev. Symb. Бревно. 5 (3): 416–449.
• Хайден, Сеймур; Кеннисон, Джон Ф. (1968). Теория множеств Цермело-Френкеля. Колумбус, Огайо: издательство Charles E. Merrill Publishing Company. п. 147, упражнение 76.
• Журден, Филип Б. Б. (1905). «О трансфинитных числах экспоненциальной формы». Философский журнал. 6 серия. 9: 42–56. Дои:10.1080/14786440509463254.
• Кельнер, Питер (2011a). «Гипотеза континуума» (PDF). Изучение границ независимости (цикл лекций в Гарварде).
• Коеллнер, Питер (2011b). "Феферман О неопределенности CH" (PDF).
• Кунен, Кеннет (1980). Теория множеств: введение в доказательства независимости. Амстердам: Северная Голландия. ISBN  978-0-444-85401-8.
• Мэдди, Пенелопа (июнь 1988). «Веря аксиомам, я». Журнал символической логики. Ассоциация символической логики. 53 (2): 481–511. Дои:10.2307/2274520. JSTOR  2274520.
• Мартин, Д. (1976). «Первая проблема Гильберта: гипотеза континуума», в Математические разработки, вытекающие из проблем Гильберта, Труды симпозиумов по чистой математике XXVIII, Ф. Браудер, редактор. Американское математическое общество, 1976, стр. 81–92. ISBN  0-8218-1428-1
• Макгоф, Нэнси. «Гипотеза континуума».
• Меримович, Карми (2007). «Степенная функция с фиксированной конечной щелью всюду». Журнал символической логики. 72 (2): 361–417. arXiv:математика / 0005179. Дои:10.2178 / jsl / 1185803615. МИСТЕР  2320282.
• Мур, Грегори Х. (2011). «Ранняя история гипотезы обобщенного континуума: 1878–1938». Бюллетень символической логики. 17 (4): 489–532. Дои:10.2178 / bsl / 1318855631. МИСТЕР  2896574.
• Шелах, Сахарон (2003). «Логические мечты». Бык. Амер. Математика. Soc. (Н.С.). 40 (2): 203–228. arXiv:математика / 0211398. Дои:10.1090 / s0273-0979-03-00981-9.
• Вудин, В. Хью (2001a). "Гипотеза континуума, часть I" (PDF). Уведомления AMS. 48 (6): 567–576.
• Вудин, У. Хью (2001b). "Гипотеза континуума, часть II" (PDF). Уведомления AMS. 48 (7): 681–690.

Немецкая литература

• Кантор, Георг (1878). "Ein Beitrag zur Mannigfaltigkeitslehre". Journal für die Reine und Angewandte Mathematik. 84 (84): 242–258. Дои:10.1515 / crll.1878.84.242.
• Патай, Л. (1930). "Untersuchungen über die-reihe". Mathematische und naturwissenschaftliche Berichte aus Ungarn. 37: 127–142.

Источники

• Эта статья включает материал из обобщенной гипотезы континуума о PlanetMath, который находится под лицензией Лицензия Creative Commons Attribution / Share-Alike. В архиве 2017-02-08 в Wayback Machine

внешняя ссылка

• Судзик, Мэтью & Вайсштейн, Эрик В. «Гипотеза континуума». MathWorld.