Кіріспе

Классикалық арифметиканы кеңейтетін ординалдар операциялары. Жинақтар теориясының математикалық саласында ординалдық арифметика ординалдық сандардағы үш негізгі операцияны сипаттайды: қосу, көбейту және дәрежелеу. Олардың әрқайсысын негізінен екі түрлі жолмен анықтауға болады: операцияның нәтижесін көрсететін нақты жақсы реттелген жиын құру арқылы немесе трансфиниттік рекурсия қолдану арқылы. Кантордың нормалық түрі ординалдарды жазудың стандартына келтірілген тәсілін ұсынады. Бұл негізгі ординалдық операциялардан өзге, ординалдардың «табиғи» арифметикасы және нимбер операциялары да бар.

Қасиеттері

1=α · 0 = 0 · α = 0, ал нөлдік көбейту қасиеті орындалады: 1=α · β = 0 → α = 0 немесе 1=β = 0. 1 ординалы – көбейтуге қатысты бейтарап элемент, 1=α · 1 = 1 · α = α. Көбейту ассоциативті, яғни 1=(α · β) · γ = α · (β · γ). Көбейту оң аргументке қатысты қатаң өсуге және үздіксіздікке ие: (α < β және γ > 0) → γ·α < γ·β. Көбейту сол аргументке қатысты қатаң өспейді, мысалы, 1 < 2, бірақ 1=1 · ω = 2 · ω = ω. Дегенмен, ол (қатаң емес) өсуге ие, яғни α ≤ β → α·γ ≤ β·γ. Ординалдардың көбейтуі жалпы жағдайда коммутативті емес. Атап айтқанда, 1-ден үлкен нақты сан ешқашан шексіз ординалмен ауыспайды, ал екі шексіз ординал α және β тек қана 1=α^(m) = β^(n) шарты орындалғанда ғана ауысады, мұнда m және n – нөлдік емес нақты сандар. "α, β-мен ауысады" қатынасы 1-ден үлкен ординалдар арасында эквиваленттілік қатынасы болып табылады, ал барлық эквиваленттілік сыныптары санаулы шексіз. Сол жақтан тарату заңы орындалады: 1=α(β + γ) = αβ + αγ. Алайда, оң жақтан тарату заңы 1=(β + γ)α = βα+γα жалпы жағдайда дұрыс емес: 1=(1 + 1) · ω = 2 · ω = ω, ал 1=1 · ω + 1 · ω = ω + ω, бұл өзгеше. Сол жақтан қысқарту заңы бар: егер α > 0 және 1=α · β = α · γ болса, онда 1=β = γ. Оң жақтан қысқарту жұмыс істемейді, мысалы, 1=1 · ω = 2 · ω = ω, бірақ 1 және 2 әртүрлі. Қалдықпен сол жақтан бөлу қасиеті бар: барлық α және β үшін, егер β > 0 болса, онда 1=α = β · γ + δ және 1=δ < β болатын бірегей γ және δ табылады. Оң жақтан бөлу жұмыс істемейді: 1=α · ω ≤ ω^(ω) ≤ (α + 1) · ω шартын қанағаттандыратын α жоқ. Ординал сандар сол жақ жартылай сақинаны құрайды, бірақ сақинаны құрамайды. Сондықтан ординалдар Эвклид домені емес, өйткені олар тіпті сақина да емес; сонымен қатар, Эвклидтік "норма" осы жердегі сол жақ бөлуді пайдалану арқылы ординалдық мәнге ие болар еді. δ саны (көбейтуге жіктелмейтін ординалға қараңыз) – 1-ден үлкен β ординалы, яғни 1=αβ = β, 0 < α < β. Бұл сандар 2 және 1=β = ω^(ω^(γ)) түріндегі ординалдардан тұрады.

Қасиеттері

1=α^(0) = 1. Егер 0 < α болса, онда 1=0^(α) = 0. 1=1^(α) = 1. 1=α^(1) = α. 1=α^(β) · α^(γ) = α^(β + γ). 1=(α^(β))^(γ) = α^(β·γ). Мұндай α, β және γ сандары бар, олар үшін 1=(α · β)^(γ) ≠ α^(γ) · β^(γ). Мысалы, 1=(ω · 2)^(2) = ω·2·ω·2 = ω^(2) · 2 ≠ ω^(2) · 4. Реттік экспоненциалдық оң аргумент бойынша қатаң түрде өседі және үздіксіз: Егер γ > 1 және α < β болса, онда γ^(α) < γ^(β). Егер α < β болса, онда α^(γ) ≤ β^(γ). Мысалы, 2 < 3 болғанымен, 1=2^(ω) = 3^(ω) = ω. Егер α > 1 және 1=α^(β) = α^(γ) болса, онда 1=β = γ. Егер 1=α = 1 немесе 1=α = 0 болса, онда бұл жағдай емес. Кез келген α және β үшін, егер β > 1 және α > 0 болса, онда 1=α = β^(γ) · δ + ρ болатын бірегей γ, δ және ρ сандары бар, мұнда 0 < δ < β және ρ < β^(γ). Якобсталь 1=α^(β) = β^(α) теңдеуінің α ≤ β шартындағы жалғыз шешімдері 1=α = β, немесе 1=α = 2 және 1=β = 4, немесе α кез келген шекті ординал және 1=β = εα, мұнда ε – α-дан үлкен ε саны болып табылады.

Экспонентадан тыс

Қосу, көбейту және дәрежелеу арқылы басталган тізбекті жалғастыратын реттік операциялар бар, оның ішінде тетрация, пентация және гексацияның реттік түрлері де бар. Веблен функциясына да қараңыз.

Үлкен саналатын ординалдар

Жоғарыда айтылғандай, ε0-дан төмен ординалдардың Кантор нормалық түрі тек қосу, көбейту және дәрежелеу функцияларының символдарынан, сондай-ақ әрбір натурал сан мен ω үшін тұрақты символдардан тұратын әліпбиде өрнектеле алады. Біз шексіз көп санды тек тұрақты 0 символын және оның ізбасары S операциясын пайдаланып жоюға болады (мысалы, 4 натурал саны S(S(S(S(0)))) ретінде өрнектеле алады). Бұл ординалдарды белгілеуді сипаттайды: шекті әліпбиде ординалдарды атау жүйесі. Бұл нақты ординалдарды белгілеу жүйесі арифметикалық ординал өрнектер жиыны деп аталады және ε0-дан төменгі барлық ординалдарды өрнектеуге болады, бірақ ε0-ны өрнектеуге болмайды. ε0-дан әрі ординалдарды қамтуға қабілетті басқа ординалдарды белгілеулер де бар, бірақ кез келген шекті әліпбиде тек санаулы көптеген шекті ұзындықтағы тізбектер болғандықтан, кез келген ординалдарды белгілеу үшін ω1 (бірінші санауға келмейтін ординал) төмен ординалдар болады, оларды өрнектеу мүмкін емес. Мұндай ординалдар үлкен санаулы ординалдар деп аталады. Қосу, көбейту және дәрежелеу операциялары – бұл примитивті рекурсивті ординал функцияларының мысалдары, ал үлкен ординалдарды сипаттау үшін одан да жалпы примитивті рекурсивті ординал функцияларын қолдануға болады.

Нимбер арифметигі

Ординалдар мен нимберлер арасындағы бір-бірге сәйкестік принципі арқасында ординалдар бойынша арифметикалық амалдар орындауға болады. Нимберлердегі үш негізгі амал – нимберді қосу, нимберді көбейту және ең кіші жоқ сан (mex). Нимберді қосу – натурал сандарға қатысты биттік қосымша немесе амалының жалпыланған түрі. Ординалдар жиынының mex-і – жиынға кірмейтін ең кіші ординал.