Кіріспе
Математикалық жиын теориясы жүйесі. Ішкі жиын теориясы (ІЖТ) – Эдвард Нельсон жасаған жиындардың математикалық теориясы, ол Абрахам Робинсон енгізген стандартты емес анализдің бір бөлігі үшін аксиоматикалық негіз ұсынады. Шын сандарға жаңа элементтер қосудың орнына, Нельсонның тәсілі синтаксистік байыту арқылы аксиоматикалық негіздерді өзгертеді. Осылайша, аксиомалар жиындар үшін дәстүрлі ZFC аксиомаларымен мүмкін емес айырмашылықтар жасауға мүмкіндік беретін "стандартты" жаңа ұғымды енгізеді. Демек, ІЖТ – ZFC-нің байытылуы: ZFC-нің барлық аксиомалары барлық классикалық предикаттар үшін орындалады, ал жаңа бірлік предикат "стандартты" I, S және T үш қосымша аксиоманы орындайды. Атап айтқанда, шын сандар жиынындағы тиісті стандартты емес элементтердің инфинитезималь және шексіз элементтердің қасиеттеріне сәйкес келетін қасиеттері бар екенін көрсетуге болады. Нельсонның тұжырымы математикалық логиканың көптеген күрделіліктерін жойып, бастапқыда инфинитезималь элементтерді қамтитын сандық жүйелердің дәйектілігін қатаң түрде дәлелдеу үшін қажет болған математиканы нашар білетін математик үшін оңай түсінілуге ыңғайлы.
Internal set theory (IST) is a mathematical theory of sets developed by Edward Nelson that provides an axiomatic basis for a portion of the nonstandard analysis introduced by Abraham Robinson. Instead of adding new elements to the real numbers, Nelson's approach modifies the axiomatic foundations through syntactic enrichment. Thus, the axioms introduce a new term, "standard", which can be used to make discriminations not possible under the conventional ZFC axioms for sets. Thus, IST is an enrichment of ZFC: all axioms of ZFC are satisfied for all classical predicates, while the new unary predicate "standard" satisfies three additional axioms I, S, and T. In particular, suitable nonstandard elements within the set of real numbers can be shown to have properties that correspond to the properties of infinitesimal and unlimited elements. Nelson's formulation is made more accessible for the lay mathematician by leaving out many of the complexities of meta mathematical logic that were initially required to justify rigorously the consistency of number systems containing infinitesimal elements.
Интуитивті негіздеме
IST-де толыққанды формальды аксиоматикалық схема бар, оны төменде сипаттағанбыз, бірақ «стандарт» терминінің мағынасын интуитивті түсіндіру қажет. Бұл формальды теорияның бөлігі емес, бірақ студентке формализмді түсінуге көмектесетін оқу құралы. Негізгі айырмашылық, анықталатын сандар тұжырымына ұқсас, біз нақтылай алатын және талқылай алатын ұғымдар доменінің шектілігін, сандар жиынының шексіздігімен салыстырады; шектілікті қарастырыңыз. Адам жазатын символдардың саны шекті. Кез келген беттегі математикалық символдардың саны шекті. Бір математик өмірінде жасай алатын математикалық беттердің саны шекті. Кез келген жұмысқа жарамды математикалық анықтама міндетті түрде шекті болады. Математик өмірінде анықтай алатын ерекше нысандардың саны шекті. Біздің (болжамды шекті) өркениетіміздің барысында математиктердің саны да шекті болады. Сондықтан өркениетіміз өзіне берілген өмір бойына тек шекті бүтін сандар жиынтығын ғана талқылай алады. Бұл шектің нақты мәні бізге белгісіз, себебі ол көптеген кездейсоқ мәдени факторларға байланысты. Бұл шектеудің өзі математикалық тексеруге жатпайды, бірақ бүтін сандар жиыны мәңгілікке дейін шексіз жалғасқанда, мұндай шектің бар екендігі математикалық шындық. Сондықтан «стандарт» термині интуитивті түрде «жеткілікті» бүтін сандардың белгілі бір шекті бөлігіне сәйкес келеді. Бұл аргументті кез келген шексіз нысандар жиынына қолдануға болады – шекті уақытта, шекті символдар жиынтығын пайдаланып, тек белгілі бір элементтерді ғана нақтылай аламыз, ал біздің шыдамдылығымыз бен төзімділігіміздің шегінен тыс қалғандары әрқашан болады, қаншалықты табанды болсақ та. Кез келген шексіз жиынтықта стандарттан тыс элементтердің көп екенін мойындауымыз керек – тым үлкен немесе тым беймәлім, оларды ұғып алу қиын.
Стандартты предикаттың қағидалары
Төмендегі принциптер жоғарыда көрсетілген интуитивті түсініктерден туындайды және сондықтан формальды аксиомалардан шығарылуы керек. Әзірге, талқылау аумағын толық сандардың таныс жиыны деп қабылдаймыз. Жаңа предикат "стандартты" тікелей немесе жанама түрде қолданбаған кез келген математикалық өрнек – ішкі формула болып табылады. Оны анықтайтын кез келген анықтама – сыртқы формула болып табылады. Ішкі формуламен бірегей түрде анықталған кез келген сан стандартты сан болып табылады (анықтама бойынша). Стандартты емес сандар – ішкі формуламен (уақыт пен кеңістіктің шектеулеріне байланысты) бірегей түрде анықталмайтын сандар. Стандартты емес сандар ұстауға қиын: олардың әрқайсысы ондық жазуда немесе кез келген басқа бейнелеуде, тікелей немесе жанама түрде, қаншалықты тапқыр болсаңыз да, басқаруға тым үлкен. Сіз қандай нәтижеге жетсеңіз де, ол анықтама бойынша тек тағы бір стандартты сан. Дегенмен, N-нің кез келген шексіз ішкі жиынында көптеген стандартты емес толық сандар бар. Стандартты емес сандар – ондық жазулары, жай көбейткіштері және т.б. бар толығымен қалыпты сандар. Табиғи сандарға қолданылатын әрбір классикалық теорема стандартты емес табиғи сандарға да қолданылады. Біз жаңа сандар емес, ескі сандарды ажыратудың жаңа әдісін жасадық. Сонымен қатар, барлық стандартты сандар үшін дұрыс болатын кез келген классикалық теорема міндетті түрде барлық табиғи сандар үшін де дұрыс. Әйтпесе, "теореманы қанағаттандырмайтын ең кіші сан" деген тұжырымдамасы стандартты емес санды бірегей түрде анықтайтын ішкі формула болар еді. "Стандартты емес" предикаты – үлкен сандарды ажыратудың логикалық тұрғыдан дұрыс әдісі, ал олардың кері шамалары – өте кішкентай нақты сандар, яғни инфинитезимальдар болады. Бұл терминдердің басқа түсіндірмелерімен шатасуды болдырмау үшін, IST бойынша жаңа мақалаларда бұл терминдер "i large" және "i small" конструкцияларымен ауыстырылады. Стандартты сандардың саны шекті, бірақ сақ болу керек: оларды біріктіріп, нәтижесі жақсы анықталған математикалық жиын деп айта алмаймыз. Бұл формализммен расталмайды (себебі бұл жиынның нақты шекаралары уақыт пен тарихқа байланысты өзгереді). Атап айтқанда, ең үлкен стандартты сан немесе ең кіші стандартты емес сан туралы сөйлей алмаймыз. Барлық стандартты сандарды қамтитын кез келген шекті жиын туралы айтуға болады, бірақ бұл классикалық емес тұжырымдама тек стандартты емес жиынға ғана қатысты болуы мүмкін.
Nonstandard numbers are completely ordinary numbers, having decimal representations, prime factorizations, etc. Every classical theorem that applies to the natural numbers applies to the nonstandard natural numbers. We have created, not new numbers, but a new method of discriminating between existing numbers. Moreover, any classical theorem that is true for all standard numbers is necessarily true for all natural numbers. Otherwise the formulation "the smallest number that fails to satisfy the theorem" would be an internal formula that uniquely defined a nonstandard number. The predicate "nonstandard" is a logically consistent method for distinguishing large numbers—the usual term will be illimited. Reciprocals of these illimited numbers will necessarily be extremely small real numbers—infinitesimals. To avoid confusion with other interpretations of these words, in newer articles on IST those words are replaced with the constructs "i large" and "i small". There are necessarily only finitely many standard numbers—but caution is required: we cannot gather them together and hold that the result is a well defined mathematical set. This will not be supported by the formalism (the intuitive justification being that the precise bounds of this set vary with time and history). In particular we will not be able to talk about the largest standard number, or the smallest nonstandard number. It will be valid to talk about some finite set that contains all standard numbers—but this non classical formulation could only apply to a nonstandard set.
IST-тің ресми аксиомалары
IST – теңдікпен бірінші реттік логикадағы екілік предикат символы ∈ және бірлік предикат символы st(x) бар тілдегі аксиоматикалық теория. st қатысы жоқ формулалар (яғни, жинақтар теориясының дәстүрлі тіліндегі формулалар) ішкі, ал қалғандары сыртқы деп аталады. Біз қысқартуларды пайдаланамыз. IST, таңдау аксиомасымен бірге Зермело-Фрэнкель жинақтар теориясының (ZFC) барлық аксиомаларын қамтиды. Атап айтқанда, ZFC-нің бөлу және алмастыру схемалары жаңа тілге кеңейтілмейді, оларды тек ішкі формулалармен қолдануға болады. Сонымен қатар, IST өзінің атының әр әрпімен сәйкес үш жаңа аксиома схемасын қамтиды: Идеалдау, Стандарттау және Көшіру.
IST includes all axioms of the Zermelo–Fraenkel set theory with the axiom of choice (ZFC). Note that the ZFC schemata of separation and replacement are not extended to the new language, they can only be used with internal formulas. Moreover, IST includes three new axiom schemata – conveniently one for each initial in its name: Idealisation, Standardisation, and Transfer.
≠ қатынасына қолданылады
Егер S стандартты және шекті болса, R(g, f) қатынасын былай аламыз: g және f тең емес және g S жиынында. «Кез келген стандартты шекті F жиыны үшін S жиынында g элементі бар, онда барлық f ∈ F үшін g ≠ f» деген тұжырым жалған (ондай g жоқ жағдайда), сондықтан идеализацияны қолданып, «S жиынында G бар, онда барлық стандартты f үшін G ≠ f» деген тұжырым да жалған екенін білеміз, яғни S жиынының барлық элементтері стандартты. Егер S шексіз болса, R(g, f) қатынасын былай аламыз: g және f тең емес және g S жиынында. «Кез келген стандартты шекті F жиыны үшін S жиынында g элементі бар, онда барлық f ∈ F үшін g ≠ f» (шексіз S жиыны шекті F жиынының ішкі жиыны емес) екенін ескере отырып, идеализацияны қолданып, «Барлық стандартты f үшін S жиынында G ≠ f болатын G бар» деген тұжырымға келеміз. Басқаша айтқанда, кез келген шексіз жиын стандартты емес элементті (көптегенін, шындығында) қамтиды. Стандартты шекті жиынның қуаты жиынтығы стандартты (көшіру арқылы) және шекті, сондықтан стандартты шекті жиынның барлық ішкі жиындары стандартты. Егер S стандартты емес болса, R(g, f) қатынасын былай аламыз: g және f тең емес және g S жиынында. «Кез келген стандартты шекті F жиыны үшін S жиынында g элементі бар, онда барлық f ∈ F үшін g ≠ f» (стандартты емес S жиыны стандартты және шекті F жиынының ішкі жиыны емес) екенін ескере отырып, идеализацияны қолданып, «Барлық стандартты f үшін S жиынында G ≠ f болатын G бар» деген тұжырымға келеміз. Басқаша айтқанда, кез келген стандартты емес жиын стандартты емес элементті қамтиды. Осы нәтижелердің салдары ретінде, S жиынының барлық элементтері стандартты, егер және тек қана S стандартты және шекті болса.
Қатынасқа қолданылған <
"Егер "Табиғи сандардың әрбір стандартты, шекті жиыны F үшін, F-тің барлық f-терінен үлкен g табиғи саны бар" десек, – яғни – идеализацияны қолданып, "Барлық стандартты табиғи сандар f үшін G > f болатын G табиғи саны бар" деген қорытындыға келуге болады. Басқаша айтқанда, әрбір стандартты табиғи сандан үлкен табиғи сан бар."
∈ қатынасына қолданылады
Нақтырақ айтсақ, R(g, f) үшін: g – элементі f болатын шекті жиын. "Кез келген стандартты, шекті жиынтық F үшін, F-тің барлық f элементтері үшін f ∈ g болатын шекті жиынтық g бар" – оны өзіміз таңдау арқылы – біз идеализацияны қолданып, "Барлық стандартты f үшін f ∈ G болатын G шекті жиынтығы бар" деген қорытындыға келе аламыз. Кез келген S жиынтығы үшін, S жиынтығының G жиынтығымен қиылысы S-тің барлық стандартты элементтерін қамтитын S-тің шекті ішкі жиынтығы болып табылады. G міндетті түрде стандартты емес.
Аксиомалар үшін ресми негіздеме
Жоғарыда айтылған интуитивті түсіндірулерден өзге, қосымша ИСТ аксиомалары есептесуде қателіктерге немесе үйлесімсіздіктерге алып келмейтінін негіздеу қажет. Готфрид Лейбниц, Иоганн Бернулли, Леонард Эйлер, Огюстен Луи Коши және басқалардың еңбектеріндегі шексіз шамалар туралы ой-пікірдегі қателіктер мен философиялық кемшіліктер, олардың бастапқыда Георг Кантор, Рихард Дедекинд және Карл Вайерштрасс ұсынған, нақты сандарға негізделген, көбірек еңбек талап ететін аргументтерге ауысуына себеп болды, ал Вайерштрасс ізбасарлары оларды қатаң деп санады. Ішкі жиын теориясының тәсілі кез келген жаңа аксиомалық жүйеге тән – біз жаңа аксиомалар үшін модель құрастырамыз, бұл модельді қарапайым, сенімді аксиомалық схема элементтерін пайдаланып жасаймыз. Бұл эллипстік емес Евклид геометриясының аксиомаларының дәйектілігін негіздеуге ұқсас, олардың дәйектілігін әдеттегі үш өлшемді кеңістіктегі сферадағы үлкен шеңберлердің сәйкес интерпретациясы арқылы көрсетуге болады. Шындығында, қолайлы модель арқылы IST-нің ZFC-ге қатысты салыстырмалы дәйектілігін дәлелдеуге болады: егер ZFC дәйекті болса, онда IST та дәйекті. Керісінше, күштірек тұжырым жасауға болады: IST – ZFC-нің консервативті кеңейтімі, яғни ішкі жиын теориясында дәлелденетін кез келген ішкі формуланы Zermelo-Fraenkel аксиомаларында таңдау аксиомасымен ғана дәлелдеуге болады.
Қарым-қатынас теориясы
Карел Хрбачек және басқалар осымен байланысты теорияларды жасады.