Кіріспе
Математикалық логика тұжырымдамасы. Гентценнің тұрақтылық дәлелі – 1936 жылы Герхард Гентцен жариялаған математикалық логикадағы дәлелдер теориясының нәтижесі. Ол, бірінші реттік арифметиканың Пеано аксиомаларында қайшылық жоқ екенін (яғни, "тұрақты"), дәлелдеуде қолданылатын белгілі бір басқа жүйеде де қайшылық болмаса, көрсетеді. Бұл басқа жүйе, қазіргі кезде "примитивті рекурсивті арифметика, ε0 ординалына дейінгі сандықсыз трансфинитті индукция принципімен толықтырылған" деп аталады, және ол Пеано аксиомалары жүйесінен әлсіз те, күшті де емес. Гентцен, оның Пеано арифметикасындағы күмәнді логикалық қорытындылардан аулақ екенін және оның тұрақтылығы сондықтан да аз даулы екенін мәлімдеді.
Gentzen's consistency proof is a result of proof theory in mathematical logic, published by Gerhard Gentzen in 1936. It shows that the Peano axioms of first order arithmetic do not contain a contradiction (i. e. are "consistent"), as long as a certain other system used in the proof does not contain any contradictions either. This other system, today called "primitive recursive arithmetic with the additional principle of quantifier free transfinite induction up to the ordinal ε0", is neither weaker nor stronger than the system of Peano axioms. Gentzen argued that it avoids the questionable modes of inference contained in Peano arithmetic and that its consistency is therefore less controversial.
Гентцен теоремасы
Гентцен теоремасы бірінші реттік арифметикаға қатысты: бірінші реттік Пеано аксиомаларымен аксиомаланған, олардың қосылуы мен көбейтуін қоса алғанда, табиғи сандар теориясы. Бұл – «бірінші реттік» теория: сандық белгілер табиғи сандарға ғана қатысты, бірақ табиғи сандардың жиындары мен функцияларына емес. Теория экспоненциалдық, факториалдық немесе Фибоначчи тізбектері сияқты рекурсивті түрде анықталған бүтін сандық функцияларды сипаттауға жеткілікті. Гентцен бірінші реттік Пеано аксиомаларының дұрыстығы примитивті рекурсивті арифметиканың негізгі теориясы бойынша, ε0 ординалына дейінгі сандық еркін трансфинитті индукцияның қосымша принципімен дәлелденетінін көрсетті. Примитивті рекурсивті арифметика – арифметиканың өте қарапайым түрі, ол көптеген дау тудырмайды. Қосымша принцип, формальды емес тұрғыдан алғанда, түбірленген ағаштар жиынында жақсы реттелу бар екенін білдіреді. Формальды түрде, ε0 – алғашқы ординал, яғни , яғни тізбектің лимиті. Бұл үлкен саналатын ординалдардан әлдеқайда кіші саналатын ординал. Ординалдарды арифметика тілінде көрсету үшін ординалдық белгілеу қажет, яғни ε0-дан кіші ординалдарға табиғи сандарды тағайындаудың тәсілі. Мұны әртүрлі жолдармен жасауға болады, мысалы Кантордың нормальды түрі теоремасы арқылы. Гентценнің дәлелі келесі болжамға негізделген: кез келген сандық еркін формула A(x) үшін, егер A(a) жалған болатын a < ε0 ординалы болса, онда мұндай ең кіші ординал бар. Гентцен Пеано арифметикасындағы дәлелдер үшін «қысқарту процедурасы» деген ұғымды анықтайды. Берілген дәлел үшін мұндай процедура дәлелдер ағашын жасайды, онда берілген дәлел ағаштың түбірі болып табылады, ал басқа дәлелдер белгілі бір мағынада берілгеннен «қарапайым». Бұл күшейе түсетін қарапайымдық әрбір дәлелге < ε0 ординалын қосу арқылы формальдастырылады және ағаш бойымен төмен жылған сайын, бұл ординалдар әр қадамда кішірейеді. Содан кейін ол, егер қарама-қайшылықтың дәлелі болса, қысқарту процедурасы ε0-дан кіші ординалдардың шексіз, қатаң түрде төмендейтін тізбегіне әкелетінін көрсетеді, бұл тізбек сандық еркін формулаға сәйкес келетін дәлелдердегі примитивті рекурсивті операция арқылы жасалады.
It is a countable ordinal much smaller than large countable ordinals. To express ordinals in the language of arithmetic, an ordinal notation is needed, i. e. a way to assign natural numbers to ordinals less than ε0. This can be done in various ways, one example provided by Cantor's normal form theorem. Gentzen's proof is based on the following assumption: for any quantifier free formula A(x), if there is an ordinal a< ε0 for which A(a) is false, then there is a least such ordinal. Gentzen defines a notion of "reduction procedure" for proofs in Peano arithmetic. For a given proof, such a procedure produces a tree of proofs, with the given one serving as the root of the tree, and the other proofs being, in a sense, "simpler" than the given one. This increasing simplicity is formalized by attaching an ordinal < ε0 to every proof, and showing that, as one moves down the tree, these ordinals get smaller with every step. He then shows that if there were a proof of a contradiction, the reduction procedure would result in an infinite strictly descending sequence of ordinals smaller than ε0 produced by a primitive recursive operation on proofs corresponding to a quantifier free formula.
Арифметиканың басқа да сәйкестігін дәлелдеу
Гентценнің тұтастығын дәлелдеудің алғашқы нұсқасы оның өмірінде жарияланбады, себебі Пол Бернейс дәлелдеуде жасырын қолданылған әдіске қарсылық білдірді. Жоғарыда сипатталған түзетілген дәлелдеме 1936 жылы "Анналь" журналында жарияланды. Гентцен 1938 жылы және 1943 жылы тағы екі рет тұтастығын дәлелдеді. Бұлардың барлығы Курт Гёдельдің 1938 жылғы лекциясында Гентценнің 1936 жылғы дәлелін қайта қарастырылып, «қарсы мысал жоқ» интерпретациясы ретінде белгілі болды. Бастапқы дәлелдеме де, оның қайта құрылуы да ойын теориясы тұрғысынан түсіндірілуі мүмкін. 1940 жылы Вильгельм Аккерманн Пеано арифметикасының тұтастығын дәлелдейтін тағы бір дәлелдеме жариялады, ол да ε0 ординалын қолданды. Арифметиканың тұтастығын тағы бір дәлелдеме 1959 жылы И.Н. Хлодовский жариялады. Арифметиканың тұтастығын дәлелдейтін тағы басқа дәлелдемелер: Т.Ж. Степиень және Ł.Т. Степиень (2018 жылы) және С. Артемов (2019 жылы) жариялады. Степиеньдердің мақаласында арифметикалық жүйенің тұтастығын дәлелдеу осы жүйе ішінде жүзеге асырылғаны айтылған. Артемовтың мақаласында онда жарияланған дәлелдеменің Пеано арифметикасында формальдастырылуы мүмкін екендігі көрсетілген.
Kurt Gödel reinterpreted Gentzen's 1936 proof in a lecture in 1938 in what came to be known as the no counterexample interpretation. Both the original proof and the reformulation can be understood in game theoretic terms. In 1940 Wilhelm Ackermann published another consistency proof for Peano arithmetic, also using the ordinal ε0. Another proof of consistency of Arithmetic was published by I. N. Khlodovskii, in 1959. Yet other proofs of consistency of Arithmetic were published by: T. J. Stępień and Ł. T. Stępień (in 2018) and by S. Artemov (in 2019). In the Stępieńs' paper it has been claimed that the proof of consistency (published there), of the Arithmetic System, is done within this System. In Artemov's paper it has been stated that the proof published there, is formalizable in Peano Arithmetic.
Гентцен дәлелімен басталған жұмыс
Гентценнің дәлелі теориялық реттік талдау деп аталатын нәрсенің алғашқы мысалы болып табылады. Реттік талдауда теориялардың күші, қаншалықты үлкен (құрылымдық) реттік сандар жақсы реттелгенін дәлелдеуге болатынымен, немесе балама түрінде, қаншалықты үлкен (құрылымдық) реттік сан үшін трансфиниттік индукцияны дәлелдеуге болатынымен өлшенді. Құрылымдық реттік сан – табиғи сандардың рекурсивті жақсы реттелгенінің реттік типі. Осы тұрғыда, Гентценнің жұмысы бірінші реттік Пеано арифметикасының теориялық реттік санын ε0 деп көрсетеді. Лоуренс Кирби мен Джефф Пари 1982 жылы Гудштейн теоремасын Пеано арифметикасында дәлелдеуге болмайтынын дәлелдеді. Олардың дәлелі Гентцен теоремасына негізделген.