Кіріспе
Математикалық формулаларды нақты бір мағынаға бейімдеу, әмбебап алгебрада және модель теориясында, құрылым – жиынтықтан және оған анықталатын шекті операциялар мен қатынастар жиынтығынан тұрады. Универсалды алгебра топтар, сақиналар, өрістер және векторлық кеңістіктер сияқты алгебралық құрылымдарды жалпылайтын құрылымдарды зерттейді. Универсалды алгебра термині қатынас белгілері жоқ бірінші реттік теориялардың құрылымдары үшін қолданылады. Модель теориясының көлемі кеңірек, ол ерікті бірінші реттік теорияларды, соның ішінде жиын теориясының модельдері сияқты негізгі құрылымдарды қамтиды. Модель теориясы тұрғысынан алғанда, құрылымдар – бірінші реттік логиканың семантикасын анықтау үшін қолданылатын объектілер, Тарскидің ақиқат теориясы немесе Тарски семантикасы да қараңыз. Модель теориясындағы берілген теория үшін, егер ол теорияның анықтамалық аксиомаларын қанағаттандырса, құрылым модель деп аталады, бірақ кейде математикалық модельдердің жалпы жағдайындағы ұғымды талқылағанда семантикалық модель ретінде нақтырақ айтылады. Логикашылар құрылымдарды кейде «түсіндірулер» деп атайды, бірақ «түсіндіру» термині модель теориясында басқаша (бірақ байланысты) мағынаға ие, «түсіндіру (модель теориясы)» дегенге қараңыз. Деректер қоры теориясында функциясыз құрылымдар реляциялық деректер қорының модельдері ретінде реляциялық модельдер түрінде зерттеледі.
In universal algebra and in model theory, a structure consists of a set along with a collection of finitary operations and relations that are defined on it. Universal algebra studies structures that generalize the algebraic structures such as groups, rings, fields and vector spaces. The term universal algebra is used for structures of first order theories with no relation symbols. Model theory has a different scope that encompasses more arbitrary first order theories, including foundational structures such as models of set theory. From the model theoretic point of view, structures are the objects used to define the semantics of first order logic, cf. also Tarski's theory of truth or Tarskian semantics. For a given theory in model theory, a structure is called a model if it satisfies the defining axioms of that theory, although it is sometimes disambiguated as a semantic model when one discusses the notion in the more general setting of mathematical models. Logicians sometimes refer to structures as "interpretations", whereas the term "interpretation" generally has a different (although related) meaning in model theory, see interpretation (model theory). In database theory, structures with no functions are studied as models for relational databases, in the form of relational models.
Тарих
Математикалық логика саласында "модель" термині алғаш рет 1940 жылы философ Уиллард Ван Орман Куин математик Ричард Дедекиндке (1831–1916), жиын теориясын дамытудың негізін салушыға сілтеме жасап қолданған. 19 ғасырдан бері аксиомалар жинағының дұрыстығын дәлелдеудің басты әдістерінің бірі – оған модель ұсыну болып табылады.
Анықтама
Формальды түрде, құрылым доменнен, қолтаңбадан және қолтаңбаның доменде қалай түсіндірілуін көрсететін түсіндіру функциясынан тұратын үштік ретінде анықталады. Құрылымның белгілі бір қолтаңбасы бар екенін көрсету үшін, оны сол қолтаңбалы құрылым деп атауға болады.
Домен
Құрылымның домені – кездейсоқ жиын; ол құрылымның негізгі жиынтығы, оның тасымалдағышы (әсіресе әмбебап алгебрада), оның әлемі (әсіресе модель теориясында, ғалам дегенмен салыстырыңыз), немесе оның сөздік домені деп те аталады. Классикалық бірінші реттік логикада құрылымның анықтамасы бос доменге рұқсат етпейді. Кейде доменді белгілеу үшін немесе қолданылады, бірақ көбінесе құрылым мен оның домені арасында ешқандай айырма жасалмайды (яғни, бір символ құрылымды да, оның доменін де білдіреді).
Мысалдар
Бұл тағы да өрістер үшін стандартты қолтаңба. Рационалды сандарды табиғи түрде құрылымдар ретінде қарағанда, олар нақты сандардың кіші құрылымын, ал нақты сандар кешенді сандардың кіші құрылымын құрайды. Рационалды сандар – нақты (немесе кешенді) сандардың ең кіші кіші құрылымы, сонымен қатар өріс аксиомаларын қанағаттандырады. Бүтін сандар жиыны нақты сандардың одан да кіші кіші құрылымын береді, ол өріс емес. Шындығында, бүтін сандар осы қолтаңбаны пайдаланып, бос жиынтық арқылы жасалған нақты сандардың кіші құрылымы болып табылады. Абстракті алгебрадағы осы қолтаңбадағы өрістің кіші құрылымына сәйкес келетін ұғым – субсақина, субөріс емес. Графты анықтаудың ең оңай жолы – бір бинарлық қатынас символынан тұратын қолтаңбасы бар құрылым. Графтың төбелері құрылымның доменін құрайды, ал екі төбе үшін және егер және жиекпен байланысқан болса, онда . Бұл кодтауда индуцирленген кіші құрылым ұғымы субграф ұғымынан гөрі шектеулі. Мысалы, екі төбесі жиекпен байланысқан граф болсын, ал сол төбелерден, бірақ жиектері жоқ граф болсын. – графтың субграфы, бірақ индуцирленген кіші құрылымы емес. Графтар теориясында индуцирленген кіші құрылымдарға сәйкес келетін ұғым – индуцирленген субграфтар.
Мысал
Жоғарыда көрсетілгендей, графиктерді құрылым ретінде стандартты кодтауда индуцирленген субструктуралар нақты индуцирленген субграфиктер болып табылады. Дегенмен, графтар арасындағы гомоморфизм – бұл графты кодтайтын екі құрылым арасындағы гомоморфизмнің өзі. Алдыңғы бөлімдегі мысалда, G графигінің H субграфы индуцирленбегенімен, сәйкестік бейнесі id: H → G гомоморфизм болып табылады. Бұл бейне σ Hom санатындағы мономорфизм болып табылады, сондықтан H – G графигінің субобъектісі, бірақ ол индуцирленген субструктура емес.
Құрылыстар мен бірінші реттік логика
Құрылымдарды кейде "бірінші реттік құрылымдар" деп атайды. Бұл шатастырады, себебі олардың анықтамасында ештеңе оларды нақты бір логикамен байланыстырмайды, және шындығында олар бірінші реттік логиканың өте шектеулі бөлімдері үшін де, мысалы, әмбебап алгебрада қолданылатыны сияқты, екінші реттік логика үшін де семантикалық объектілер ретінде қолданылуға жарамды. Бірінші реттік логика және модельдер теориясымен байланысты, құрылымдар көбінесе "не модельдері?" деген сұраққа анық жауап болмаған жағдайда да модельдер деп аталады.
Қанағаттандыру қатынасы
Әрбір бірінші реттік құрылымда, тілдегі барлық формулалар үшін қанағаттандыру қатынасы анықталады. Бұл тіл, құрылымның тілінен және құрылымның әрбір элементі үшін сол элементті білдіретін тұрақты символдардан тұрады. Бұл қатынас Тарскидің Т-схемасын пайдаланып индуктивті түрде анықталады. Егер құрылымның тілі теорияның тілімен сәйкес келсе және теориядағы барлық тұжырым құрылыммен қанағаттандырылса, онда құрылым осы теорияның моделі деп аталады. Мысалы, "сақина" – сақиналар тілі үшін құрылым, ол сақина аксиомаларының барлығын қанағаттандырады, ал ZFC жиынтық теориясының моделі – жиынтық теориясы тіліндегі құрылым, ол ZFC аксиомаларының барлығын қанағаттандырады.
Параметрлермен анықталуы
Қарым-қатынас, егер оны параметрлері бар формула арқылы анықтауға болатын болса (немесе анықтамалы), анықтамалы деп аталады. Бұл формула арқылы қарым-қатынастың өзі анықталады. Кез келген құрылымның әрбір элементін сол элементті параметр ретінде пайдалана отырып анықтауға болады. Кейбір авторлар "анықтамалы" терминін параметрлерсіз анықтамалы деп түсіндірсе, ал басқалары параметрлермен анықтамалы деп түсіндіреді. Жалпы айтқанда, жиын теориясымен айналысатын ғалымдар арасында "анықтамалы" термині параметрлерсіз анықтамалы мағынасында жиі қолданылады, ал модель теориясымен айналысатын ғалымдар арасында керісінше қолданылуы жиі.
Көп сұрыпталатын құрылымдар
Жоғарыда көрсетілген құрылымдар кейде оларды көп реттелген құрылымдардан ажырату үшін бір реттелген құрылымдар деп аталады. Көп реттелген құрылымда домендердің кез келген саны болуы мүмкін. Сорттар қолтаңбаның бөлігі болып табылады және әртүрлі домендерге арналған атаулар рөлін атқарады. Көп реттелген қолтаңбалар сонымен қатар көп реттелген құрылымның функциялары мен қатынастары қай сорттарда анықталатынын көрсетеді. Сондықтан функциялық немесе қатынас символдарының ариттері табиғи сандар емес, сорттардың жиынтығы сияқты күрделірек объектілер болуы керек. Мысалы, векторлық кеңістікке келесідей екі реттелген құрылым ретінде қарауға болады. Векторлық кеңістіктердің екі реттелген қолтаңбасы екі сорттан – V (векторлар үшін) және S (скалярлар үшін) тұрады, сондай-ақ келесі функциялық символдардан: +S және ×S (S, S; S) ариттілігімен, −S (S; S) ариттілігімен, 0S және 1S (S) ариттілігімен, +V (V, V; V) ариттілігімен, −V (V; V) ариттілігімен, 0V (V) ариттілігімен және × (S, V; V) ариттілігімен. Егер V – F өрісі үстіндегі векторлық кеңістік болса, онда сәйкес екі реттелген құрылым векторлық доменнен, скалярлық доменнен және векторлық нөл, скалярлық нөл немесе скалярлық көбейту сияқты анықталған функциялардан тұрады. Көп реттелген құрылымдар, кейде оларды қолдану үшін аз күш жұмсағанда да, жиі ыңғайлы құрал ретінде қолданылады. Бірақ олар сирек қатаң түрде анықталады, себебі жалпылауды тікелей жүзеге асыру оңай, бірақ көбінесе мағынасыз. Көптеген математикалық зерттеулерде сорттарға көп көңіл бөлмейді. Бірақ көп реттелген логика табиғи түрде типтік теорияға алып келеді. Барт Джейкобс айтқандай: «Логика әрқашан типтік теориядағы логика болады». Бұл басымдық өз кезегінде категориялық логикаға әкеледі, өйткені типтік теориядағы логика бір («жалпы») категорияға сәйкес келеді, логиканы қамтиды, ал екінші («негізгі») категорияға байланысты, типтік теорияны қамтиды.
+S and ×S of arity (S, S; S). −S of arity (S; S). 0S and 1S of arity (S). +V of arity (V, V; V). −V of arity (V; V). 0V of arity (V). × of arity (S, V; V). If V is a vector space over a field F, the corresponding two sorted structure consists of the vector domain , the scalar domain , and the obvious functions, such as the vector zero , the scalar zero , or scalar multiplication
Many sorted structures are often used as a convenient tool even when they could be avoided with a little effort. But they are rarely defined in a rigorous way, because it is straightforward and tedious (hence unrewarding) to carry out the generalization explicitly. In most mathematical endeavours, not much attention is paid to the sorts. A many sorted logic however naturally leads to a type theory. As Bart Jacobs puts it: "A logic is always a logic over a type theory." This emphasis in turn leads to categorical logic because a logic over a type theory categorically corresponds to one ("total") category, capturing the logic, being fibred over another ("base") category, capturing the type theory.
Қиссалық алгебралар
Универсалды алгебра және модель теориясы екеуі де қолтаңба және аксиомалар жиынтығы арқылы анықталатын (құрылымдар немесе) алгебралардың сыныптарын зерттейді. Модель теориясы жағдайында бұл аксиомалар бірінші реттік сөйлемдер түрінде болады. Универсалды алгебраның формализмі әлдеқайда шектеулі; ол негізінен терминдер арасындағы барлық шамалы сандық теңдеулер түріндегі бірінші реттік сөйлемдерге ғана рұқсат береді, мысалы, ∀x∀y (x + y = y + x). Соның салдарынан, қолтаңбаны таңдау универсалды алгебрада модель теориясына қарағанда маңыздырақ. Мысалы, екілік функция символы × және тұрақты символ 1-ден тұратын қолтаңбадағы топтар класы элементарлық класс болып табылады, бірақ ол сан алуандығы емес. Универсалды алгебра бұл мәселені бірлік функция символын −1 қосу арқылы шешеді. Бұл стратегия тек қосу үшін жұмыс істейді. Көбейту үшін 0-дің көбейтуге керісі болмайтындықтан ол сәтсіз аяқталады. Бұл мәселені шешуге жасалған әрекет 0−1 = 0 деп анықтау болар еді. (Бұл әрекет сәтсіз аяқталады, себебі бұл анықтама бойынша 0 × 0−1 = 1 дұрыс емес.) Сондықтан, табиғи түрде ішінара функцияларға, яғни тек өздерінің доменінің кіші жиынтығында ғана анықталатын функцияларға рұқсат етуге келеді. Дегенмен, кіші құрылым, гомоморфизм және сәйкестік сияқты ұғымдарды жалпылаудың бірнеше айқын жолдары бар.
Типтелген тілдер үшін құрылымдар
Тип теориясында әрқайсысының өзіне тән түрі бар көптеген айнымалылар кездеседі. Типтер индуктивті түрде анықталады; егер δ және σ екі тип берілсе, онда σ → δ типі де болады, ол σ типіндегі объектілерді δ типіндегі объектілерге бейімдейтін функцияларды көрсетеді. Типтелген тілдің құрылымы (қалыпты бірінші реттік семантикада) әр тип үшін жеке объектілер жиынтығын қамтуы тиіс, ал функция типі үшін құрылымда сол типтің әрбір объектісі көрсететін функция туралы толыққанды ақпарат болуы керек.
Жоғары деңгейдегі тілдер
Жоғары дәрежелі логиканың бірнеше мүмкін семантикасы бар, бұл екінші дәрежелі логика туралы мақалада талқыланған. Толық жоғары дәрежелі семантика қолданылғанда, құрылымда 0 типті объектілер үшін ғалам болуы жеткілікті, ал T схемасы кеңейтіледі: жоғары дәрежелі тип бойынша сандық өлшегіш модельде орындалса және тек қана осы өлшегіш дискотациялық тұрғыдан дұрыс болса ғана қанағаттандырылады. Бірінші дәрежелі семантика қолданылғанда, көп сұрыпталған бірінші дәрежелі тілдердегідей, әр жоғары дәрежелі тип үшін қосымша сұрып қосылады.
Өзіндік кластар болып табылатын құрылымдар
Жинақтар теориясы мен категориялар теориясын зерттеуде кейде әңгіме саласы жиынның орнына нақты сынып болатын құрылымдарды қарастыру пайдалы. Мұндай құрылымдар кейде жоғарыда талданған "жиындық модельдерден" ерекшелеу үшін сыныптық модельдер деп аталады. Әңгіме саласы нақты сынып болған жағдайда, әрбір функция мен қатынас белгісі де нақты сыныппен бейнеленуі мүмкін. Бертран Расселдің "Principia Mathematica" еңбегінде құрылымдардың әңгіме саласы ретінде нақты сыныпты пайдалануға рұқсат етілген.