Кіріспе

Математикалық логикадағы ұсыныстар, жинақ теориясындағы гипотеза. Математикада, әсіресе жинақ теориясында, континуум гипотезасы (қысқартылып CH) – шексіз жиынтардың мүмкін мөлшері туралы гипотеза. Ол былай тұжырымдайды: "Бүтін сандар мен нақты сандардың кардиналдылығы арасында қатаң түрде орналасқан кардиналдылығы бар жиын жоқ." Немесе, эквивалентті түрде: "Нақты сандардың кез келген ішкі жиыны шекті, санаулы шексіз немесе нақты сандардың кардиналдылығына тең болады." Зермело-Френкель жинақ теориясында таңдау аксиомасымен (ZFC) бұл алеп сандарымен келесі теңдеуге тең: , ал беф сандарымен одан да қысқа: . Континуум гипотезасын Георг Кантор 1878 жылы алға тартқан, ал оның растығын немесе жалғандығын анықтау – Хилберттің 1900 жылы ұсынған 23 проблемасының біріншісі. Бұл мәселенің жауабы ZFC-ге тәуелсіз, сондықтан континуум гипотезасын немесе оның жоқтығын ZFC жинақ теориясына аксиома ретінде қосуға болады, нәтижедегі теория ZFC тұрақты болған жағдайда ғана тұрақты болады. Бұл тәуелсіздікті 1963 жылы Пол Коэн дәлелдеді, бұл 1940 жылы Курт Гёдельдің бұрынғы жұмысын толықтырды. Гипотезаның атауы нақты сандар үшін қолданылатын континуум терминінен шыққан.

Тарих

Кантор континуум гипотезасының рас екеніне сенді және оны дәлелдеуге көп жылдар бойы сәттіліксіз тырысты. Бұл, 1900 жылы Парижде өткен Халықаралық математиктер конгресінде Дэвид Гилберт ұсынған маңызды, шешілмеген сұрақтар тізіміндегі бірінші мәселе болды. Сол кезде аксиоматикалық жиын теориясы әлі жасалмаған еді. Курт Гёдель 1940 жылы континуум гипотезасының жоқтығын, яғни аралық кардиналдылығы бар жиынның бар екенін стандартты жиын теориясында дәлелдеу мүмкін емес екенін көрсетті. Континуум гипотезасының тәуелсіздігінің екінші бөлігі – яғни аралық өлшемдегі жиынның жоқ екендігін дәлелдеуге болмайтыны – 1963 жылы Пол Коэн тарапынан дәлелденді.

Сансыз жиынтықтардың кардиналдылығы

Екі жиынның бірдей кардиналдылығы немесе кардиналды саны бар деп айтылады, егер олардың арасында биекция (бір-бір сәйкестік) болса. Интуитивті түрде, екі жиын S және T-ның бірдей кардиналдығы болуы, S жиынының элементтерін T жиынының элементтерімен жұптастыруға болады дегенді білдіреді, мұнда S-тің әрбір элементі T-тің дәл бір элементімен және керісінше жұптасады. Осылайша, {банан, алма, алмұрт} жиыны {сары, қызыл, жасыл} жиынымен бірдей кардиналдылыққа ие. Бүтін сандар немесе рационалдық сандар жиыны сияқты шексіз жиындар үшін екі жиын арасындағы биекцияның бар екенін көрсету қиынырақ. Рационалды сандар континуум гипотезасына қарсы мысал болып көрінеді: бүтін сандар рационалды сандардың нақты қосалқы жиыны болып табылады, ал рационалды сандар нақты сандардың нақты қосалқы жиыны болып табылады. Сондықтан, интуитивті түрде, рационалды сандар бүтін сандардан көп, ал нақты сандар рационалды сандардан көп. Алайда, бұл интуитивті талдау дұрыс емес, өйткені ол үш жиынның да шексіз екенін ескермейді. Рационалды сандарды шын мәнінде бүтін сандармен бір-бір сәйкестікке келтіруге болады, сондықтан рационалды сандар жиыны бүтін сандар жиынымен бірдей өлшемді (кардиналдылық) болады: екеуі де саналатын жиындар. Кантор бүтін сандар жиынының кардиналдылығы нақты сандар жиынынан қатаң түрде кіші екенін дәлелдеді (Кантордың бірінші санаусыздық дәлелі мен Кантордың диагональдық аргументіне қараңыз). Дегенмен, оның дәлелдері бүтін сандардың кардиналдылығы нақты сандардан қаншалықты аз екенін көрсетпейді. Кантор осы мәселенің мүмкін болатын шешімі ретінде континуум гипотезасын ұсынды. Континуум гипотезасы нақты сандар жиынының бүтін сандар жиынынан үлкен ең төменгі мүмкін кардиналдыққа ие екенін айтады. Яғни, нақты сандардың кез келген жиыны S, бір-бір сәйкестік арқылы бүтін сандарға немесе нақты сандар бір-бір сәйкестік арқылы S жиынына бейімделуі мүмкін. Нақты сандар бүтін сандардың қуаты жиынымен тең, яғни континуум гипотезасын келесідей қайта формулиреуге болады: Таңдау аксиомасын қабылдағанда, үлкенірек ең кіші бірегей кардиналдық сан бар , және континуум гипотезасы өз кезегінде теңдікке эквивалентті.

ZFC-ден тәуелсіздігі

Континуум гипотезасының (CH) Зермело-Франкель жиынтық теориясынан (ZF) тәуелсіздігі Курт Гёдель мен Пол Коэннің бірлескен жұмысынан туындайды. Гёдель CH-ді ZF-тен жоққа шығаруға болмайтынын көрсетті, тіпті таңдау аксиомасы (AC) қабылданғанда да (ZFC құрады). Гёдельдің дәлелі CH және AC екеуі де құрастырылатын әлемде L, ZF жиынтық теориясының ішкі моделінде, ZF аксиомаларын ғана қабылдап, орындалатынын көрсетеді. Қосымша аксиомалар орындалатын ZF-тің ішкі моделінің болуы қосымша аксиомалардың ZF-ке сәйкес келетінін көрсетеді, егер ZF өзі сәйкес болса. Соңғы шартты Гёдельдің толық емес теоремаларына байланысты ZF-де дәлелдеу мүмкін емес, бірақ ол шындық деп кеңінен қабылданады және күшті жиынтық теорияларында дәлелденуі мүмкін. Коэн CH-ді ZFC аксиомаларынан дәлелдеуге болмайтынын көрсетті, бұл жалпы тәуелсіздік дәлелін толықтырады. Нәтижесін дәлелдеу үшін Коэн күштеу әдісін жасады, ол жиынтық теориясының стандартты құралына айналды. Негізінде, бұл әдіс ZF моделінен басталады, онда CH орындалады, және CH жаңа модельде орындалмауын қамтамасыз ететін, бастапқы модельге қарағанда көбірек жиындарды қамтитын басқа модельді құрайды. Коэнге 1966 жылы дәлелі үшін Филдс медалі табысталды. Тәуелсіздік дәлелі CH-нің ZFC-ден тәуелсіз екенін көрсетеді. Тағы да зерттеулер көрсеткендей, CH ZFC контекстіндегі барлық белгілі үлкен кардиналдық аксиомалардан тәуелсіз. Сонымен қатар, континуумның кардиналдығы Кёниг теоремасына сәйкес келетін кез келген кардинал бола алатыны көрсетілді. Коэннің континуум гипотезасының тәуелсіздігі туралы нәтижесінен кейін дәлелденген Соловэйдің нәтижесі, кез келген ZFC моделінде, егер санағы жоқ кофиналдылық кардиналы болса, онда күштеу кеңейтілуі бар екенін көрсетеді. Алайда, Кёниг теоремасы бойынша, кофиналдылығы бар кардиналды немесе басқа кез келген кардиналды қабылдау сәйкес келмейді. Континуум гипотезасы талдау, нүктелік жиынтық топологиясы және өлшем теориясындағы көптеген мәлімдемелермен тығыз байланысты. Оның тәуелсіздігінің нәтижесінде сол салалардағы көптеген маңызды болжамдар кейіннен тәуелсіз екені дәлелденді. ZFC-ден тәуелсіздік ZFC-де CH-ді дәлелдеу немесе жоққа шығару мүмкін емес екенін білдіреді. Алайда, Гёдель мен Коэннің теріс нәтижелері континуум гипотезасына деген барлық қызығушылықты жояды деп жалпыға бірдей қабылданбайды. Континуум гипотезасы зерттеудің белсенді тақырыбы болып қала береді; қазіргі зерттеу жағдайы туралы мәлімет алу үшін Вудин мен Питер Кёльнерге жүгініңіз. Континуум гипотезасы мен таңдау аксиомасы ZF жиынтық теориясынан тәуелсіз екендігі дәлелденген алғашқы нағыз математикалық мәлімдемелер болды. ZFC-ден тәуелсіз кейбір мәлімдемелердің бар екені екі онжылдықтан бұрын белгілі болғанмен, мысалы, жақсы негізділік қасиеттерін және ZFC-нің тұрақтылығын болжай отырып, 1931 жылы жарияланған Гёдельдің толық емес теоремалары, ZFC-нің тұрақтылығын білдіретін ресми мәлімдеме бар екенін (әрбір тиісті Гёдель нөмірлеу схемасы үшін біреу) анықтайды, ол сонымен қатар одан тәуелсіз. Соңғы тәуелсіздік нәтижесі көптеген теориялар үшін де орынды.

Континуум гипотезасын жақтап және қарсы дәлелдер

Гёдель CH жалған деп санайды және оның CH-нің ZFC-ге сәйкес келетіндігіне дәлелдеуі Zermelo–Fraenkel аксиомалары жиындардың әлемін толыққанды сипаттамайтынын көрсетеді. Гёдель платонист болғандықтан, нақтылығына қарамастан, мәлімдемелердің шындығы мен жалғандығын айтуда еш қиындық көрмеді. Коэн формалист болғанымен, CH-ны қабылдамауға бейімділік танытты. Тарихи тұрғыдан алғанда, "бай" және "үлкен" жиындар әлемін жақтаған математиктер CH-ға қарсы болды, ал "нақты" және "басқарылатын" әлемді жақтағандар CH-ны қолдады. Параллель аргументтер құрастырылуының аксиомасы үшін де, қарсы да айтылды, бұл CH-ны білдіреді. Соңғы кезде Мэтью Форман онтологиялық максимализмді CH-ны қолдау үшін пайдалануға болатынын көрсетті, себебі бірдей нақты сандарға ие модельдердің арасында "көп" нақты сандар жиыны бар модельдердің CH-ны қанағаттандыру ықтималдығы жоғары. Тағы бір пікір, жиын туралы түсінік CH-ның шын немесе жалған екенін анықтау үшін жеткілікті нақты емес. Бұл пікірді 1923 жылы Сколем алға тартқан, тіпті Гёдельдің бірінші толық еместік теоремасынан бұрын. Сколем қазіргі кезде Сколемнің парадоксы деп аталатын нәрсеге негізделіп, кейіннен ZFC аксиомаларынан CH-ның тәуелсіздігімен қолдау тапты, өйткені бұл аксиомалар жиындар мен кардиналдардың элементарлық қасиеттерін белгілеуге жеткілікті. Бұл пікірге қарсы дәлелдеу үшін интуицияға сүйенген жаңа аксиомаларды көрсету және CH-ны бір жаққа немесе екінші жаққа шешу жеткілікті болар еді. Құрастырылым аксиомасы CH-ны шешсе де, ол CH-ның жалған екенінен гөрі интуитивті түрде дұрыс деп есептелмейді. Кем дегенде екі басқа аксиома ұсынылды, олар континуум гипотезасына әсер етеді, бірақ бұл аксиомалар қазіргі уақытта математикалық қауымдастықта кеңінен қабылданбады. 1986 жылы Крис Фрейлинг CH-ның жоқтығы Фрейлингтің симметрия аксиомасына тең екенін көрсетіп, CH-ға қарсы аргумент келтірді. Фрейлинг бұл аксиоманың "интуитивті түрде дұрыс" екеніне сенеді, бірақ басқалар келіспейді. В. Хью Вуддиннің CH-ға қарсы жасаған күрделі аргументі 2000 жылдан бері көп назар аударуда. Форман Вуддиннің аргументін бірден жоққа шығармайды, бірақ сақтық танытуға шақырады. Вуддин жаңа гипотеза ұсынды, оны "(*) аксиомасы" немесе "Жұлдыз аксиомасы" деп атады. Жұлдыз аксиомасы осыны білдіреді, осылайша CH жалған болады. Жұлдыз аксиомасы Мартиннің максимумының вариациясынан Жұлдыз аксиомасын алуға болатындығын көрсететін 2021 жылдың мамырындағы тәуелсіз дәлелмен нығайтылды. Алайда, Вуддин 2010 жылдары өзінің жаңа "соңғы L" болжамына сене отырып, енді CH шын екенін мәлімдеді. Соломон Феферман CH нақты математикалық мәселе емес деп санайды. Ол шектелген кванторлар үшін классикалық логиканы қабылдайтын, бірақ шектелмегендер үшін интуиционистік логиканы қолданатын ZF-тің жартылай интуиционистік ішкі жүйесін пайдалана отырып, "нақтылық" теориясын ұсынды және егер жартылай интуиционистік теория дәлелдей алса, онда ұсыныс математикалық жағынан "нақты" болып саналады. Ол CH осы ұғым бойынша нақты емес деп болжады және сондықтан CH-ның шындық мәні жоқ деп қарастырылуы керек деп ұсынды. Питер Кёльнер Феферманның мақаласына сын пікір жазды. Джоэл Дэвид Хамкинс жиын теориясына көп әлемдік көзқарас ұсынады және "континуум гипотезасы көп әлемдік көзқарас бойынша көп әлемде оның қалай әрекет ететіні туралы біздің кеңінен білімімізбен шешіледі және нәтижесінде ол бұрынғыдай шешілмейді" деп мәлімдейді. Осыған ұқсас, Сахарон Шелах "жиын теориясындағы қызықты мәселелерді шешуге болады деген таза платонистік көзқараспен келіспеймін, біз тек қосымша аксиоманы табуымыз керек. Менің ойымша, бізде ZFC-ге сәйкес келетін көптеген мүмкін жиын теориялары бар".

Жалпыланған континуум гипотезасы

Жалпыланған континуум гипотезасы (GCH) егер шексіз жиынның кардиналдығы шексіз жиын S пен S-тің қуат жиыны арасында жатса, онда оның кардиналдығы S немесе S-ке тең болады. Яғни, кез келген шексіз кардинал үшін, GCH эквивалентті болатын екінші кардинал жоқ: әрбір ординал үшін (кейде Кантордың алеф гипотезасы деп аталады). Бет сандары осы шартты баламалы белгілеумен көрсетеді: әрбір ординал үшін. Континуум гипотезасы – GCH үшін арнайы жағдай, белгілі бір ординал үшін. Оны алғаш рет Филип Жордан ұсынды. GCH-нің бастапқы тарихы үшін Мур еңбегіне қараңыз. CH сияқты, GCH да ZFC-ден тәуелсіз, бірақ Sierpiński ZF + GCH таңдау аксиомасын (AC) (және детерминация аксиомасының жоқтығын, AD) білдіретінін дәлелдеді, сондықтан таңдау және GCH ZF жүйесінде тәуелсіз емес; GCH орындалатын және AC сәтсіз болатын ZF модельдері жоқ. Мұны дәлелдеу үшін Sierpiński GCH-нің кез келген кардинал n-нің кейбір алеф санынан кіші екенін білдіретінін көрсетті, демек оларды реттеуге болады. Бұл n-нің өзінен кішірек екенін көрсету арқылы жасалады, ал ол өзінің Хартгог санынан кішірек – бұл теңдікті пайдаланады; толық дәлелдеу үшін Гиллман еңбегіне қараңыз. Курт Гёдель GCH-нің ZF + V=L (әрбір жиынның ординалдарға қатысты құрастырылатындығы туралы аксиома) салдары екенін көрсетті, сондықтан ол ZFC-мен үйлесімді. GCH, CH-ді білдіретіндіктен, CH сәтсіз болатын Коэннің моделі GCH сәтсіз болатын модель болып табылады, демек GCH ZFC-ден дәлелденбейді. W. B. Истон Коэннің мәжбүрлеу әдісін пайдаланып Истон теоремасын дәлелдеді, ол ZFC-мен үйлесімді екенін көрсетеді, яғни кез келген үлкен кардиналдар үшін GCH орындалмауы мүмкін. Кейін Форман мен Вуддин (өте үлкен кардиналдардың тұрақтылығын болжай отырып) әрбір шексіз кардинал үшін GCH орындалатынын дәлелдеді. Содан кейін Вуддин бұл тұжырымды Карми Меримовичтің жұмыстарында кеңейтіп, әрбір үшін тұрақты екенін көрсетті. Екінші жағынан, Ласло Патай γ ординал екенін және әрбір шексіз кардинал κ үшін 2κ, κ-ның γ-шы мұрагері болса, онда γ шекті екенін дәлелдеді. Кез келген шексіз жиындар A және B үшін, егер A-дан B-ға инъекция болса, онда A-ның ішкі жиындарынан B-ның ішкі жиындарына да инъекция болады. Осылайша, кез келген шексіз кардиналдар A және B үшін, егер A және B шекті болса, күшті теңсіздік орындалады. GCH бұл қатаң, күшті теңсіздікті шексіз және шекті кардиналдар үшін де орындалатынын білдіреді.