配对公理 :与有序对、无序对相关的集合论系统公理(ZF2)

更新时间:2024-09-20 12:39

配对公理(axiom of pairing)亦称无序对公理,是集合论的一条重要公理。配对公理内容为,对任意集合a与b,存在只含a与b的集合{a,b}。

1874-1897年,格奥尔格·康托尔(G.Cantor)发表了一系列论文,他以“朴素的”观点来看待集合的,但没有明确规定对于已知集合做哪些事情是合法的。后来,罗素悖论暴露了集合论自身的矛盾,造成了数学发展史上的所谓第三次大危机。为了避免悖论,解决集合论自身的基础问题,20世纪初开始了公理学研究方向。1908年,德国数学家恩斯特·弗里德里希·费狄南·策梅洛(Ernst Friedrich Ferdinand Zermelo)提出了基本集合公理,1930年,他改进了该公理,形成了现在说的配对公理。后来,他陆续提出了其他公理,形成了应用广泛的Zemelo-Freankel公理系统,简称ZF公理系统,该系统推动了现代数学的发展,被美国学者给予了很高的评价。

ZF公理系统还有很多其他公理,它们不是独立存在的,配对公理可以由替换公理推出。配对公理可定义有序对、无序对的概念,且关于配对公理,有一些有趣的事情,恩斯特·策梅洛得到了自然数的模型,后经改进,得到了今天使用的自然数构造系统。

定义

配对公理亦称无序对公理,集合论的一条重要公理。该公理断言:对任意集合与,存在只含与的集合。这条公理可形式化为:

令是定域中的任意对象。配对公理蕴含存在外延,它仅有的元素是。如果没有性质是好的,那么只存在一个外延,即坏事物。所以。但我们有,由此。所以,。由于是任意的,如果没有性质是好的,那么配对定理蕴含是论域中仅有的对象。

简史

背景

1874-1897年,格奥尔格·康托尔(G.Cantor)发表了一系列论文,奠定了集合论的基础,从此集合论的概念和结果被广泛应用于数学的各个分支。在集合论创立的初期,康托尔是以所谓“朴素的”观点来看待集合的,没有明确规定对于已知集合做哪些事情是合法的。1903年,伯特兰·阿瑟·威廉·罗素(Bertrand Russell)在《数学原理》一书中提出了一个悖论,可以通过理发师的例子进行通俗的解释。罗素悖论暴露了集合论自身的矛盾,使数学的基础发生动摇,造成了数学发展史上的所谓第三次大危机。为了避免悖论,解决集合论自身的基础问题,20世纪初开始了集合论公理学的研究方向。

提出

1908年,德国数学家恩斯特·策梅洛(E-Zermelo)提出了基本集合公理,1930年,他改进了该公理,形成了现在说的配对公理。后来,他陆续提出了其他公理,形成了应用广泛的Zemelo-Freankel公理系统,简称ZF公理系统。

衍生概念

无序对

恰好有两个元素的集合,并且这两个元素之间没有一定的顺序,叫做无序对集合。

设有集,,取集使。由和形成的无序对,用表示,指集:

由定义知,无序对以和为仅有的成员:

当时,记,叫做由集形成的独元集。在无序对中,和的地位是平等的:。比如就是一个无序对集合,对于,还可以写作,就有。

有序对

以集为先,集为后的有序对,用表示,指集:

可知,有序对的两个坐标都是唯一确定的,所以可得定理

当且仅当且。

其他公理

1908年,恩斯特·策梅洛(E-Zermelo)给出了第一个集合论公理系统,现在人们称它为Z系统,后经斯柯伦(Skolem)、弗兰克尔(Frankel)等人的改进,形成了著名的ZF公理系统。ZF系统的展开是形式化的,它是以带等词“”和隶属关系“”的狭谓词演算为基础,加上关于集合基本性质的非逻辑公理组成的形式演绎体系。它的非逻辑公理有:外延公理、空集公理、配对公理、并集公理幂集公理子集公理、无穷公理、替换公理、正则公理,如果加上选择公理AC时,得到的系统就是ZFC(ZF+AC)。ZFC系统中的公理不是各自独立的——其中配对公理可由替换公理推出。ZF公理系统推动了集合论的发展,也推动了整个现代数学的发展。加利福尼亚州大学的S·K·Stein教授这样评价:“这些公理的威力非常之大,所有普通的数学都能够从Zemelo-Freankel公理演绎出来。”

存在公理

存在一个没有元素的集合。

形式表示:。

外延公理

如果的每个元素都是的一个元素,并且的每个元素也是的一个元素,那么。

形式表示:。

基础公理

基础公里也叫正则公里,所有的集合都是良基的。

形式表示:。

概括公理模式

令是的一个性质。对任意的集合,存在一个集合,使得当且仅当并且。

形式表示:。

幂集公理

对任意的集合,存在一个集合,使得当且仅当。

形式表示:。

并集公理

对任意的集合,存在一个集合,使得当且仅当对某个,。

形式表示:。

无穷公理

存在一个归纳集。

形式表示:。

替换公理模式

令是一条性质,并且对每个存在唯一的使得成立。对每个集合,存在一个集合,使得对每个,存在使成立。

形式表示:。

选择公理

对于每个集合系统都有一个选择函数。

形式表示:。

其中:可表述为:。

轶闻趣事

关于配对公理,有一些有趣的事情。首先,构造自然数的模型,如对于,恩斯特·策梅洛取了空集;对于,他取;对于,他取了(集合);对于,他取了(集合),依此类推。因此,对于每个自然数,数字是单元集。因此,由括在对括号中的表示。

后来,约翰·约翰·冯·诺依曼(John Von Neumann)修改了恩斯特·策梅洛对自然数的构造,提出了今天所使用的系统,冯·诺依曼以这样的方式定义自然数,即每个自然数都是所有更小的自然数的集合。因此,是空集,是集合(与策梅洛一样),但是集合(其仅有的元素是和),是集合,…,是集合。且约翰·冯·诺依曼自然数的定义很容易扩展到无穷序数的定义,在集合论中起着关键作用。

参考资料

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