Кіріспе
Математикалық жүйе. Математикалық логикада екінші реттік арифметика – табиғи сандар мен олардың ішкі жиындарын формалдайтын аксиоматикалық жүйелердің жиынтығы. Бұл, математиканың көп бөлігі үшін (бірақ барлығы үшін емес) аксиоматикалық жиын теориясына балама болып табылады. Дэвид Гилберт пен Пол Бернейз өздерінің «Grundlagen der Mathematik» кітабында үшінші реттік параметрлерді қолданатын екінші реттік арифметиканың алға куәсін енгізді. Екінші реттік арифметиканың стандартты аксиоматизациясы Z2 деп белгіленеді. Екінші реттік арифметика, өзінің бірінші реттік әріптесі Пеано арифметикасынан гөрі айтарлықтай күшті. Пеано арифметикасынан айырмашылығы, екінші реттік арифметика табиғи сандар жиындарымен қатар сандардың өзіне де сандық сипаттама беруге мүмкіндік береді. Нақты сандар белгілі бір тәсілдермен табиғи сандардың (шексіз) жиындары ретінде ұсыныла алады және екінші реттік арифметика мұндай жиындар бойынша сандық сипаттама беруге мүмкіндік беретіндіктен, нақты сандарды екінші реттік арифметикада формалдауға болады. Осы себепті екінші реттік арифметика кейде «талдау» деп аталады. Екінші реттік арифметиканы, әрбір элементі табиғи сан немесе табиғи сандар жиыны болатын жиын теориясының әлсіз нұсқасы ретінде де қарастыруға болады. Зермело-Франкель жиын теориясынан әлдеқайда әлсіз болғанымен, екінші реттік арифметика өзінің тілінде берілген классикалық математиканың барлық нәтижелерін дәлелдей алады. Екінші реттік арифметиканың кіші жүйесі – екінші реттік арифметика тіліндегі теория, оның әрбір аксиомасы толық екінші реттік арифметиканың (Z2) теоремасы болып табылады. Мұндай кіші жүйелер кері математика үшін маңызды, бұл зерттеу бағдарламасы классикалық математиканың әртүрлі күшке ие болған әлсіз кіші жүйелерде қаншалықты туындатынын зерттейді. Математиканың негізгі бөлігі осы әлсіз кіші жүйелерде формалдануы мүмкін, олардың кейбіреулері төменде анықталған. Кері математика классикалық математиканың қаншалықты және қалай конструктивті емес екенін нақтылайды.
In mathematical logic, second order arithmetic is a collection of axiomatic systems that formalize the natural numbers and their subsets. It is an alternative to axiomatic set theory as a foundation for much, but not all, of mathematics. A precursor to second order arithmetic that involves third order parameters was introduced by David Hilbert and Paul Bernays in their book Grundlagen der Mathematik. The standard axiomatization of second order arithmetic is denoted by Z2. Second order arithmetic includes, but is significantly stronger than, its first order counterpart Peano arithmetic. Unlike Peano arithmetic, second order arithmetic allows quantification over sets of natural numbers as well as numbers themselves. Because real numbers can be represented as (infinite) sets of natural numbers in well known ways, and because second order arithmetic allows quantification over such sets, it is possible to formalize the real numbers in second order arithmetic. For this reason, second order arithmetic is sometimes called "analysis". Second order arithmetic can also be seen as a weak version of set theory in which every element is either a natural number or a set of natural numbers. Although it is much weaker than Zermelo–Fraenkel set theory, second order arithmetic can prove essentially all of the results of classical mathematics expressible in its language. A subsystem of second order arithmetic is a theory in the language of second order arithmetic each axiom of which is a theorem of full second order arithmetic (Z2). Such subsystems are essential to reverse mathematics, a research program investigating how much of classical mathematics can be derived in certain weak subsystems of varying strength. Much of core mathematics can be formalized in these weak subsystems, some of which are defined below. Reverse mathematics also clarifies the extent and manner in which classical mathematics is nonconstructive.
Синтаксисі
Екінші реттік арифметика тілі екі рет реттелген. Терминдердің бірінші түрі және әсіресе, әдетте кіші әріптермен белгіленетін айнымалылар жеке тұлғалардан тұрады, олардың мақсатты түсіндірілуі табиғи сандар болып табылады. Басқа түрдегі айнымалылар, әр түрлі "жинақ айнымалылары", "сынып айнымалылары" немесе тіпті "предикаттар" деп аталады, әдетте үлкен әріптермен белгіленеді. Олар жеке тұлғалардың кластарына / предикаттарына / қасиеттеріне қатысты, сондықтан оларды табиғи сандар жиынтығы ретінде қарастыруға болады. Жеке және жиынтық айнымалылар да жалпы немесе экзистенциалдық түрде өлшенуі мүмкін. Белгіленген жиынтық айнымалылары жоқ формула (яғни жиынтық айнымалылар үстіндегі сандық белгілері жоқ) арифметикалық деп аталады. Арифметикалық формулада еркін жиынтық және жеке байланған айнымалылар болуы мүмкін. Жеке терминдер тұрақты 0-ден, S (кейінгі функция) және + және (қосу және көбейту) бинарлық операциялардан құрылады. Көтеріңкі функция өзінің кірісіне 1-ді қосады. = (теңдік) және < (табиғи сандарды салыстыру) қатынастары екі тұлғаны байланыстырады, ал ∈ (мүшелік) қатынасы жеке тұлға мен жиынтықты (немесе класты) байланыстырады. Мысалы, , – екінші реттік арифметиканың арифметикалық формуласы, бір еркін жиынтық айнымалысы X және бір байланған жеке айнымалысы n бар (бірақ байланған жиынтық айнымалылары жоқ, арифметикалық формулаға талап ету бойынша), ал – арифметикалық емес, бір байланған жиынтық айнымалысы X және бір байланған жеке айнымалысы бар жақсы қалыптасқан формула.
For example, , is a well formed formula of second order arithmetic that is arithmetical, has one free set variable X and one bound individual variable n (but no bound set variables, as is required of an arithmetical formula)—whereas is a well formed formula that is not arithmetical, having one bound set variable X and one bound individual variable n.
Семантика
Сандық көрсеткіштердің бірнеше түрлі түсіндірулері мүмкін. Егер екінші реттік арифметика екінші реттік логиканың толық семантикасымен зерттелсе, онда жиынтық сандық белгілер жеке айнымалылардың ауқымының барлық кіші жиындықтарын қамтиды. Егер екінші реттік арифметика бірінші реттік логиканың семантикасымен (Хенкин семантикасы) формальданса, онда кез келген модель жиынтық айнымалылардың ауқымы үшін доменді қамтиды, және бұл домен жеке айнымалылар доменінің толық қуатының нағыз кіші жиыны болуы мүмкін.
Толық жүйе
Екінші реттік арифметиканың формалды теориясы (екінші реттік арифметика тілінде) негізгі аксиомалардан, кез келген φ формуласы үшін (арифметикалық немесе басқа) түсініктілік аксиомасынан және екінші реттік индукция аксиомасынан тұрады. Бұл теория кейде төменде анықталған кіші жүйелерінен ерекшелеу үшін толық екінші реттік арифметика деп аталады. Толық екінші реттік семантика барлық мүмкін жиынтықтардың бар екенін білдіретіндіктен, толық екінші реттік семантика қолданылғанда түсініктілік аксиомаларын дедуктивті жүйенің құрамына енгізуге болады.
Модельдер
Бұл бөлім бірінші реттік семантикамен екінші реттік арифметиканы сипаттайды. Сондықтан екінші реттік арифметика тілінің моделі M жиынтығынан (жеке айнымалылардың мәндер жиынын құрайды) тұрақты 0 (M-нің мүшесі), M-ден M-ге дейінгі S функциясы, M-де екі екілік операция – қосу (+) және көбейту (·), M-де < екілік қатынасы, сондай-ақ M жиынтығының D кіші жиындарынан тұрады, бұл жиынтық айнымалылардың мәндер жиынын құрайды. D-ні жою бірінші реттік арифметика тілінің моделін береді. Егер D, M жиынтығының толық қуат жиыны болса, онда модель толық модель деп аталады. Толық екінші реттік семантиканы қолдану екінші реттік арифметика модельдерін толық модельдермен шектеумен тең. Шындығында, екінші реттік арифметика аксиомаларының тек бір ғана толық моделі бар. Бұл екінші реттік индукция аксиомасымен бірге Пеано аксиомаларының екінші реттік семантика бойынша тек бір ғана моделі бар екендігінен туындайды.
Анықталатын функциялар
Екінші реттік арифметикада дәлелмен толық болатыны көрсетілген бірінші реттік функциялар, F жүйесінде бейнеленетін функциялармен нақты сәйкес келеді. Шамамен бірдей түрде, F жүйесі – екінші реттік арифметикаға сәйкес функционалдар теориясы болып табылады, дәл сол сияқты Гёдельдің T жүйесі, Диалектика интерпретациясында бірінші реттік арифметикаға сәйкес келеді.
Арифметикалық түсінік
Көптеген жақсы зерттелген жүйелер модельдердің жабылу қасиеттерімен байланысты. Мысалы, толық екінші реттік арифметиканың кез келген ω моделі Тьюринг секіруі бойынша жабық екені көрсетілуі мүмкін, бірақ Тьюринг секіруі бойынша жабық кез келген ω моделі толық екінші реттік арифметиканың моделі емес. ACA0 кіші жүйесі Тьюринг секіруі бойынша жабылу ұғымын түсіру үшін жеткілікті аксиомаларды қамтиды. ACA0 негізгі аксиомалардан, арифметикалық түсініктік аксиома схемасынан (яғни, кез келген арифметикалық формула φ үшін түсініктік аксиомасы) және стандартты екінші реттік индукция аксиомасынан тұратын теория ретінде анықталады. Бұл кез келген арифметикалық формула φ үшін индукция аксиомасын қосуға тең, яғни арифметикалық индукция аксиома схемасын толығымен қосуға тең. S жиыны ω-ның ω моделін анықтайды, егер және ғана егер S Тьюринг секіруі, Тьюринг редукциясы және Тьюринг қосылымы бойынша жабық болса. ACA0-дағы 0 индексі осы кіші жүйеде индукция аксиома схемасының барлық мысалдары қамтылмағанын көрсетеді. Бұл ω модельдері үшін ешқандай маңызға ие емес, себебі олар индукция аксиомасының кез келген мысалын автоматты түрде қанағаттандырады. Алайда, ω емес модельдерді зерттеуде бұл маңызды. ACA0 плюс барлық формулалар үшін индукциядан тұратын жүйе кейде индекссіз ACA деп аталады. ACA0 жүйесі – бірінші реттік арифметиканың (немесе бірінші реттік Пеано аксиомаларының) консервативті кеңейтімі, негізгі аксиомалармен және бірінші реттік индукция аксиома схемасымен (сыныптық айнымалыларды қамтымайтын барлық формулалар φ үшін, байланысқан немесе басқаша) бірінші реттік арифметика тілінде анықталады (сыныптық айнымалыларға мүлдем рұқсат етілмейді). Атап айтқанда, шектеулі индукция схемасының нәтижесінде, оның дәлелдік ординалы ε0 бірінші реттік арифметикадағыдай.
Рекурсивті түсінік
RCA0 жүйесі ACA0-дан әлсіз жүйе болып табылады және кері математикада негізгі жүйе ретінде жиі қолданылады. Ол мыналардан тұрады: негізгі аксиомалар, Σ01 индукция схемасы және Δ01 түсінік схемасы. Бірінші термин анық: Σ01 индукция схемасы – кез келген Σ01 формуласы φ үшін индукция аксиомасы. "Δ01 түсінік" термині күрделірек, себебі Δ01 формуласы деген нәрсе жоқ. Δ01 түсінік схемасы оның орнына логикалық түрде Π01 формуласына эквивалентті кез келген Σ01 формуласы үшін түсінік аксиомасын бекітеді. Бұл схема кез келген Σ01 формуласы φ және кез келген Π01 формуласы ψ үшін аксиоманы қамтиды: RCA0 жүйесінің бірінші реттік салдары жиынтығы, индукция Σ01 формулаларымен шектелген Пеано арифметикасының IΣ1 кіші жүйесінің салдарлары жиынтығымен бірдей. Өз кезегінде, IΣ1 сөйлемдер үшін примитивті рекурсивті арифметикаға (PRA) қарағанда консервативті. Сонымен қатар, оның теориялық ординалы ωω, PRA-мен бірдей. Егер және тек қана S жиыны Тьюринг редукциясы және Тьюринг қосылысы бойынша жабық болса, онда S жиыны ω-ның RCA0 жүйесінің ω-моделін анықтайды. Атап айтқанда, ω-ның барлық есептелетін кіші жиындарының жиынтығы RCA0 жүйесінің ω-моделін береді. Осы жүйенің атауының түпкі себебі осында – егер жиын RCA0 арқылы бар екені дәлелденсе, онда ол жиын рекурсивті (яғни есептеуге болады).
The set of first order consequences of RCA0 is the same as those of the subsystem IΣ1 of Peano arithmetic in which induction is restricted to Σ01 formulas. In turn, IΣ1 is conservative over primitive recursive arithmetic (PRA) for sentences. Moreover, the proof theoretic ordinal of is ωω, the same as that of PRA. It can be seen that a collection S of subsets of ω determines an ω model of RCA0 if and only if S is closed under Turing reducibility and Turing join. In particular, the collection of all computable subsets of ω gives an ω model of RCA0. This is the motivation behind the name of this system—if a set can be proved to exist using RCA0, then the set is recursive (i. e. computable).
Әлсіз жүйелер
Кейде RCA0-дан тіпті әлсіз жүйе қажет болады. Мұндай жүйелердің бірі былай анықталады: ең алдымен арифметика тіліне экспоненциалдық функция символы қосылуы керек (күшті жүйелерде экспонента көбейту және қосу арқылы әдеттегі тәсілмен анықталуы мүмкін, бірақ жүйе тым әлсіз болғанда мұндай мүмкіндік жоғалады), содан кейін негізгі аксиомалар экспоненциалды индуктивті түрде көбейту арқылы анықталатын сәйкес аксиомалармен толықтырылады; одан кейін жүйе (толықтырылған) негізгі аксиомалардан, Δ01 түсінігінен және Δ00 индукциясынан тұрады.
Қуатты жүйелер
ACA0-дан асып, екінші реттік арифметиканың кез келген формуласы, жеткілікті үлкен барлық n үшін Σ1n немесе Π1n формуласына эквивалентті болады. Π11 түсініктілік жүйесі – негізгі аксиомалардан, сондай-ақ екінші реттік индукция аксиомасынан және кез келген (қою әріппен) Π11 формуласы φ үшін түсініктілік аксиомасынан тұратын жүйе. Бұл Σ11 түсініктілігімен эквивалентті (ал Δ11 түсініктілігі, Δ01 түсініктілігі сияқты анықталған, одан әлсіз).
Жобалық анықталу
Проективті детерминация – бұл кез келген екі ойыншының толық ақпаратпен ойнайтын ойынында, қимылдары натурал сандар болса, ойын ұзындығы ω және төлем жиынтығы проективті болса, онда ойын анықталады, яғни ойыншылардың бірінің жеңіске жететін стратегиясы болады. (Ойын төлем жиынтығына жатса, бірінші ойыншы жеңеді; әйтпесе, екінші ойыншы жеңеді.) Жинақ проективті болады, егер және тек қана егер (предикат ретінде) ол екінші реттік арифметика тіліндегі формуламен, нақты сандарды параметрлер ретінде пайдалана отырып, сипатталатын болса. Сондықтан проективті детерминация Z2 тіліндегі схема түрінде беріледі. Екінші реттік арифметика тілінде берілген көптеген табиғи тұжырымдар Z2 және тіпті ZFC-ден тәуелсіз, бірақ проективті детерминациядан шығарылуы мүмкін. Мысалдарға коаналитикалық толық кіші жиынның қасиеті, өлшену мүмкіндігі, жиынтардың Бейр қасиеті, біркелкілендіру және т.б. жатады. Әлсіз негізгі теорияда (мысалы, RCA0) проективті детерминация түсініктілікті білдіреді және екінші реттік арифметиканың толыққанды теориясын қамтамасыз етеді. Z2 тіліндегі проективті детерминацияға тәуелді және Z2-ден тәуелсіз табиғи тұжырымдарды табу қиын. ZFC + {n Вуддин кардиналы бар: n – натурал сан} проективті детерминациясы бар Z2-ге консервативті, яғни екінші реттік арифметика тіліндегі тұжырым, проективті детерминациясы бар Z2-де дәлелденсе, онда оның жиын теориясы тіліне аудармасы ZFC + {n Вуддин кардиналы бар: n∈N} жүйесінде дәлелденуі керек.
Математикалық кодтау
Екінші реттік арифметика табиғи сандар мен табиғи сандар жиындарын тікелей формалдайды. Дегенмен, ол кодтау техникасы арқылы басқа математикалық объектілерді де жанама түрде формалдай алады, бұл фактіні алғаш Вейль байқаған. Бүтін сандар, рационалды сандар және нақты сандар, толық ажыратылатын метрикалық кеңістіктер мен олар арасындағы үздіксіз функциялардың бәрі RCA0 кіші жүйесінде формалдануы мүмкін. Кері математиканың зерттеу бағдарламасы математикалық теоремаларды дәлелдеуге қажетті жиынтық экзистенция аксиомаларын зерттеу үшін екінші реттік арифметикадағы математиканың осы формалдауларын пайдаланады. Мысалы, нақты сандардан нақты сандарға дейінгі функциялар үшін аралық мән теоремасы RCA0-де дәлелденеді, ал Болцано-Вейерштрасс теоремасы RCA0 үстінде ACA0-ға эквивалентті. Аталған кодтау жоғары реттік негізгі теория және әлсіз Кёниг леммасы болғанда, үздіксіз және толық функциялар үшін жақсы жұмыс істейді. Дегенмен, топология саласында кодтау мәселесіз емес.