Кіріспе
Математикадағы ординалдар және жиындық теориясы
Жиындық теориясының математикалық саласында нақты саналатын ординалдарды сипаттаудың көптеген тәсілдері бар. Ең кішілерін олардың Кантордың нормалық түрлері арқылы тиімді және дөңгелек емес түрде беруге болады. Сонымен қатар, дәлелдеу теориясына қатысты көптеген ординалдар әлі де есептелетін ординалдық белгілерге ие (ординалдық талдауға қараңыз). Дегенмен, берілген болжамды ординалдық белгіленуінің белгілену болып табылатынын немесе табылмайтынын тиімді түрде анықтау мүмкін емес (бұл тоқтату мәселесінің шешілмейтініне ұқсас себептермен); ординалдық белгілері бар нақты ординалдарды анықтаудың әртүрлі нақты жолдары бар. Белгілердің саны саналатын болғандықтан, белгілері бар барлық ординалдар бірінші саналмайтын ординал ω1-ден әлдеқайда төмен орналасады; олардың жоғарғы шегі Church–Kleene ω1 немесе ω деп аталады (оны төменде сипатталатын бірінші саналмайтын ординал ω1-мен шатастыруға болмайды). ω-дан төменгі ординалдар рекурсивті ординалдар болып табылады (төменде қараңыз). Бұдан үлкен саналатын ординалдарды да анықтауға болады, бірақ олар белгілерге ие болмайды. Саналатын ординалдарға басымдық берілгендіктен, ординалдық арифметика басқаша көрсетілмесе, барлық жерде қолданылады. Мұнда сипатталған ординалдар үлкен кардиналдарда сипатталғандардай үлкен емес, бірақ конструктивті белгілері барлардың арасында үлкен саналады. Одан да үлкен ординалдарды анықтауға болады, бірақ оларды сипаттау қиынға түседі.
In the mathematical discipline of set theory, there are many ways of describing specific countable ordinals. The smallest ones can be usefully and non circularly expressed in terms of their Cantor normal forms. Beyond that, many ordinals of relevance to proof theory still have computable ordinal notations (see ordinal analysis). However, it is not possible to decide effectively whether a given putative ordinal notation is a notation or not (for reasons somewhat analogous to the unsolvability of the halting problem); various more concrete ways of defining ordinals that definitely have notations are available. Since there are only countably many notations, all ordinals with notations are exhausted well below the first uncountable ordinal ω1; their supremum is called Church–Kleene ω1 or ω (not to be confused with the first uncountable ordinal, ω1), described below. Ordinal numbers below ω are the recursive ordinals (see below). Countable ordinals larger than this may still be defined, but do not have notations. Due to the focus on countable ordinals, ordinal arithmetic is used throughout, except where otherwise noted. The ordinals described here are not as large as the ones described in large cardinals, but they are large among those that have constructive notations (descriptions). Larger and larger ordinals can be defined, but they become more and more difficult to describe.
Тәртіптік белгілер
Есептелетін ординалдар (немесе рекурсивті ординалдар) — нақты саналатын ординалдар: шартты түрде айтқанда, олар есептеуге болатын функциямен өрнектеледі. Оған бірнеше теңдес анықтама бар: ең қарапайымы — есептелетін ординал — табиғи сандардың рекурсивті (яғни, есептелетін) жақсы реттелген жиынының реттік түрі; демек, ординал рекурсивті болады, егер кіші ординалдар жиынын компьютер (мысалы, Тьюринг машинасы) оларды өңдей алатындай (және, негізінен, салыстыра алатындай) етіп ұсына алсақ. Тағы бір анықтама Клиннің ординалдық белгілер жүйесін пайдаланады. Қысқаша айтқанда, ординалдық белгі — бұл нөл атауы (0 ординалын сипаттайды), немесе ординалдық белгінің мұрагері (осы белгімен сипатталған ординалдың мұрагерін сипаттайды), немесе ординалдық белгілердің өсу тізбесін құратын (осы тізбектің лиміті болып табылатын ординалды сипаттайтын) Тьюринг машинасы (есептелетін функция), ал ординалдық белгілер (ішінара) реттелген, сондықтан белгінің мұрагері белгіден үлкен, ал лимит тізбектің кез келген мүшесінен үлкен болады (бұл реттеу есептеуге болады; алайда, ординалдық белгілердің О жиыны өзі жоғары дәрежеде рекурсивті емес, себебі берілген Тьюринг машинасы белгілер тізбесін шығара ма, жоқ па, оны анықтау мүмкін емес); рекурсивті ординал — бұл кейбір ординалдық белгілермен сипатталған ординал. Ординалдық белгілерді ұмытып, тек рекурсивті ординалдар туралы ғана сөйлеуге тырысуға болады: бірақ кейбір мәлімдемелер рекурсивті ординалдар туралы айтылғанмен, шын мәнінде осы ординалдардың белгілеріне қатысты болады. Бұл қиындықтарға алып келеді, себебі тіпті ең кішкентай шексіз ординал ω-ның өзінде көптеген белгілер бар, олардың кейбіреулерін анық белгіге (барлық табиғи сандарды тізімдейтін ең қарапайым бағдарламаға) тең екенін дәлелдеу мүмкін емес.
Арифметика жүйелерімен байланысы
Есептелетін ординалдар мен белгілі бір формальды жүйелер арасында байланыс бар (арифметиканы қамтитын, яғни кем дегенде Пеано арифметикасының ұтымды фрагментін қамтитын). Кейбір есептелетін ординалдар соншалықты үлкен, олар белгілі бір ординалдық белгілеумен *o* берілсе де, берілген формальды жүйе *o*-ның шын мәнінде ординалдық белгілеу екенін көрсетуге жеткілікті күшті болмауы мүмкін: жүйе мұндай үлкен ординалдар үшін трансфиниттік индукцияны көрсетпейді. Мысалы, әдеттегі бірінші реттік Пеано аксиомалары ε0 үшін (немесе одан жоғары) трансфиниттік индукцияны дәлелдей алмайды: ε0 ординалы оңай арифметикалық түрде сипатталуы мүмкін (ол саналатын), бірақ Пеано аксиомалары оның шын мәнінде ординал екенін көрсетуге жеткілікті күшті емес; шын мәнінде, ε0-дағы трансфиниттік индукция Пеано аксиомаларының дәйектілігін дәлелдейді (Генцен теоремасы), сондықтан Гёделдің екінші толық еместік теоремасы бойынша Пеано аксиомалары осы ой-қияны формалдай алмайды. (Бұл Гудштейн тізбектері туралы Кирби-Паристің теоремасының негізі). Пеано арифметикасы ε0-дан кіші кез келген ординалдың жақсы реттелгенін дәлелдей алатындықтан, ε0 Пеано аксиомаларының дәлелдік күшін өлшейді дейміз. Бірақ біз мұны Пеано аксиомаларынан әлдеқайда күшті жүйелер үшін де жасай аламыз. Мысалы, Крипке-Платек жиын теориясының дәлелдік күші Бахман-Ховард ординалы болып табылады, және шын мәнінде, Пеано аксиомаларына Бахман-Ховард ординалынан төменгі барлық ординалдардың жақсы реттелгенін көрсететін аксиомаларды қосу Крипке-Платек жиын теориясының барлық арифметикалық салдарына қол жеткізу үшін жеткілікті.
Болжамдық анықтамалар және Веблен иерархиясы
Біз бұрын-соңды (Кантордың қалыпты түрін қараңыз) ε0 ординалын атап өттік, ол теңдеуді қанағаттандыратын ең кішкентай сан, сондықтан ол 0, 1, ω, ω², ω³, … реттілігінің лиміті. Бұл теңдеуді қанағаттандыратын келесі ординал ε1 деп аталады: ол реттіліктің лиміті. Жалпы алғанда, n-ші ординал деп аталады. Біз оны теңдеуді қанағаттандыратын ең кішкентай ординал ретінде анықтауымыз мүмкін, бірақ грек әліпбиінде трансфинитті санға жететін әріптер болмағандықтан, одан да берік жазуды қолдану жақсы: ординалдарды трансфинитті индукция арқылы анықтаймыз: және мыналар болсын, ал болсын n-ші тұрақты нүктесі (яғни, n-ші ординал; мысалы, ). Егер α лимит ординалы болса, онда оны барлық i үшін i-ші ортақ тұрақты нүктесі ретінде анықтаймыз. Бұл отбасы Веблен иерархиясы деп аталады (анықтамада маңызды емес өзгерістер болуы мүмкін, мысалы, α лимит ординалы болғанда, оны i бойынша лимит ретінде қарастыруға болады: бұл негізінен индекстерді 1-ге жылдырады, бұл зиянсыз). Veblen функциясы (негізге) деп аталады. Реттеу: егер және тек егер (және ) немесе (және ) немесе (және ) болса.
More generally, the th ordinal such that is called We could define as the smallest ordinal such that , but since the Greek alphabet does not have transfinitely many letters it is better to use a more robust notation: define ordinals by transfinite induction as follows: let and let be the th fixed point of (i. e., the th ordinal such that ; so for example, ), and when is a limit ordinal, define as the th common fixed point of the for all This family of functions is known as the Veblen hierarchy (there are inessential variations in the definition, such as letting, for a limit ordinal, be the limit of the for : this essentially just shifts the indices by 1, which is harmless). is called the Veblen function (to the base ). Ordering: if and only if either ( and ) or ( and ) or ( and ).
Феферман-Шютте ординал және одан да жоғары
Ең кіші ординал Феферман–Шютте ординалы деп аталады және әдетте Γ деп жазылады. Оны нөлден бастап, Веблен иерархиясы мен қосуды ғана қолдана отырып, шекті өрнектер түрінде жазылатын барлық ординалдар жиыны ретінде сипаттауға болады. Феферман–Шютте ординалы маңызды, себебі ол кіші ординалдарды пайдалана отырып ("предикативті") сипаттау мүмкін емес ең кіші (шексіз) ординал болып табылады – бұл анықтаманы дәл беру қиын. Ол "арифметикалық трансфиниттік рекурсия" сияқты жүйелердің күшін өлшейді. Жалпы алғанда, Γα қосу және Веблен функцияларын қолдана отырып, кіші ординалдардан алынбайтын ординалдарды тізімдейді. Әрине, Феферман–Шютте ординалынан артық ординалдарды сипаттауға болады. Осы процесте, одан да күрделірек тұрақты нүктелерді іздеуге болады: Γ-ның тұрақты нүктелерін тізімдеп, содан кейін олардың тұрақты нүктелерін тізімдеп, осылай жалғастыра беруге болады. Содан кейін, осы процестің α қадамында α ординалы алынатын ең алғашқы α ординалын іздеп, осылайша импровизациялық түрде диагональдауды жалғастыруға болады. Бұл "кіші" және "үлкен" Веблен ординалдарының анықтамасына әкеледі.
Болжаусыз ординалдар
Феферман-Шютте ординалынан әрі өту үшін жаңа әдістерді енгізу қажет. Өкінішке орай, қазірге дейін мұндай істеудің стандартты жолы жоқ: әр автор өз жазу жүйесін ойлап тапқандай, ал түрлі жүйелер арасында аударма жасау өте қиын. Мұндай алғашқы жүйені 1950 жылы Бахман енгізді (ad hoc тәсілмен), ал оның түрлі кеңейтімдері мен вариацияларын Бухольц, Такеути (ординалдық диаграммалар), Феферман (θ жүйелері), Ацзель, Бридж, Шютте және Полерс сипаттады. Дегенмен, көптеген жүйелердің негізгі идеясы бір: санауға келмейтін белгілі бір ординалдардың болуын пайдаланып жаңа саналатын ординалдарды құру. Міне, осындай анықтаманың мысалы, ол ординалдарды ығыстыру функциясы туралы мақалада егжей-тегжейлі сипатталған: ψ(α) – 0, 1, ω және Ω-дан бастап, бұрын құрылған ординалдарға қосу, көбейту және дәрежелеу, сондай-ақ бұрын құрылған ординалдарға ψ-ді қайталап қолдану арқылы құрастырылмаған ең кіші ординал деп анықталады (бірақ ψ тек α-дан кіші аргументтерге ғана қолданылуы керек, оның дұрыс анықталғанын қамтамасыз ету үшін). Мұнда Ω = ω1 – бірінші санауға келмейтін ординал. Ол қосылады, әйтпесе ψ функциясы εσ = σ болатын ең кіші ординал σ-да «тоқтап» қалады: атап айтқанда, ψ(α) = σ, егер кез келген ординал α үшін σ ≤ α ≤ Ω орындалса. Бірақ Ω-ны қосу арқасында біз осы нүктеден өте аламыз: ψ(Ω+1) σ-дан үлкен. Ω-ның басты қасиеті – ол ψ арқылы алынған кез келген ординалдан үлкен. Одан да үлкен ординалдарды құру үшін біз сансыз ординалдарды құрудың басқа тәсілдерін қосып, ψ анықтамасын кеңейте аламыз. Мұны істеудің бірнеше жолы бар, олар ординалдарды ығыстыру функциясы туралы мақалада белгілі бір дәрежеде сипатталған. Бахманн-Ховард ординалы (кейде оны Ховард ординалы деп те атайды, жоғарыдағы белгілеу бойынша ψ0(εΩ+1)) маңызды, өйткені ол Крипке-Платек жиындар теориясының дәлелдік күшін сипаттайды. Шындығында, осы үлкен ординалдардың басты маңызы және оларды сипаттау себебі – жоғарыда айтқандай, олардың белгілі бір формальды жүйелермен байланысы. Алайда, толық екінші реттік арифметика сияқты күшті формальды жүйелер, тіпті Цермело-Френкель жиындар теориясы да қазіргі уақытта қол жеткізуге қиын көрінеді.
ψ(α) is defined to be the smallest ordinal that cannot be constructed by starting with 0, 1, ω and Ω, and repeatedly applying addition, multiplication and exponentiation, and ψ to previously constructed ordinals (except that ψ can only be applied to arguments less than α, to ensure that it is well defined). Here Ω = ω1 is the first uncountable ordinal. It is put in because otherwise the function ψ gets "stuck" at the smallest ordinal σ such that εσ=σ: in particular ψ(α)=σ for any ordinal α satisfying σ≤α≤Ω. However the fact that we included Ω allows us to get past this point: ψ(Ω+1) is greater than σ. The key property of Ω that we used is that it is greater than any ordinal produced by ψ. To construct still larger ordinals, we can extend the definition of ψ by throwing in more ways of constructing uncountable ordinals. There are several ways to do this, described to some extent in the article on ordinal collapsing function. The Bachmann–Howard ordinal (sometimes just called the Howard ordinal, ψ0(εΩ+1) with the notation above) is an important one, because it describes the proof theoretic strength of Kripke–Platek set theory. Indeed, the main importance of these large ordinals, and the reason to describe them, is their relation to certain formal systems as explained above. However, such powerful formal systems as full second order arithmetic, let alone Zermelo–Fraenkel set theory, seem beyond reach for the moment.
Қабылдауға болатын ординалдардан тыс
рұқсат етілген реттік сандардың ең кіші шегі (кейін талқыланады), бірақ өзінің реттік саны рұқсат етілмейді. Бұл сонымен қатар түсініктің ең кіші моделі болып табылады. Реттік сан, рұқсат етілген сандардың шегі болса және н-інші рұқсат етілген реттік сан болса, онда ол рекурсивті қолжетімсіз деп аталады, ал ең кіші рекурсивті қолжетімсіз санды An деп белгілеуге болады. Рекурсивті қолжетімсіз және рекурсивті қолжетімсіз сандардың шегі болатын реттік сан рекурсивті гиперколжетімсіз деп аталады. 171-бет. Бірақ, ескеріңіз, біз әлі де санауға болатын реттік сандар туралы сөз етіп отырмыз. (Зермело-Френкель жиын теориясында қолжетімсіз немесе Мало кардиналдарының бар екендігі дәлелденбесе де, рекурсивті қолжетімсіз немесе рекурсивті Мало реттік сандары ZFC теоремасы болып табылады: шындығында, кез келген реттелген кардинал рекурсивті Мало және одан да күшті, бірақ егер біз санауға болатын реттік сандармен ғана шектелсек те, ZFC рекурсивті Мало реттік сандарының бар екендігін дәлелдейді. Дегенмен, олар Крипке-Платек жиын теориясының шегінен тыс.)
But note that we are still talking about possibly countable ordinals here. (While the existence of inaccessible or Mahlo cardinals cannot be proved in Zermelo–Fraenkel set theory, that of recursively inaccessible or recursively Mahlo ordinals is a theorem of ZFC: in fact, any regular cardinal is recursively Mahlo and more, but even if we limit ourselves to countable ordinals, ZFC proves the existence of recursively Mahlo ordinals. They are, however, beyond the reach of Kripke–Platek set theory.)
Ойлану
Формулалар жиынтығы үшін лимиттік реттік сан, егер оның рангісі әрбір формула үшін белгілі бір рефлексия қасиетін қанағаттандырса, рефлексиялық деп аталады. Бұл реттік сандар KP+Π3 ref сияқты теориялардың реттік талдауында кездеседі, бұл теория Крипке-Платек жиынтық теориясын рефлексия схемасымен толықтырады. Оларды сондай-ақ әлсіз тығыз кардиналдар мен сипатталмайтын кардиналдар сияқты кейбір санауға келмейтін кардиналдардың "рекурсивті аналогтары" деп қарастыруға болады. Мысалы, рефлексиялық реттік сан рекурсивті әлсіз компакт деп аталады. Шекті жағдайда ең кіші рефлексиялық реттік сан, сонымен қатар графигі Πm+10 болатын монотонды индуктивті анықтамалардың жабылу реттік сандарының жоғарғы шегі болып табылады.
Жобалау мүмкін еместігі
Қабылданатын ординал проекцияланбайтын деп аталады, егер оны кіші ординалға бейнелейтін жалпы рекурсивті инъективті функция болмаса. (Бұл рет кардиналдары үшін тривиальды түрде орындалады; алайда, бізді негізінен саналатын ординалдар қызықтырады.) Проекцияланбау қасиеті, қабылданатын, рекурсивті қолжетімсіз немесе тіпті рекурсивті Мало қасиеттерінен әлдеқайда күшті жағдай. Бұл тұжырым Гёдель әлемінің, L, α сатысына дейінгі бөлігінің KP + бөлу аксиомасының моделін құрайтынымен эквивалентті. Дегенмен, бөлу аксиомасы ғана (қосымша аксиомаларсыз) проекцияланбауды білдіретін жеткілікті күшті аксиомалық схема емес, шындығында, кез келген саналатын қабылданатын биіктіктегі + бөлу аксиомасының транзитивті модельдері бар. Проекцияланбайтын ординалдар Дженсеннің проекталар туралы жұмысымен байланысты. Белгілі бір жиынға қатысты проекцияланбайтын ең кіші ординалдар Харрингтонның ең кіші шағылыстыратын Спектор 2 класын құруымен байланысты.
Nonprojectible ordinals are tied to Jensen's work on projecta. The least ordinals that are nonprojectible relative to a given set are tied to Harrington's construction of the smallest reflecting Spector 2 class.
Тұрақты ординалдар
Тіпті, тұрақты ординалдар деп аталатын үлкен саналатын ординалдарды сипаттамасыздық шарттары арқылы немесе L-дің Σ1 элементарлық субмоделі болатындай етіп анықтауға болады; осы ординалдардың бар екендігі ZFC-де дәлелденеді және олар модельдік теориялық тұрғыдан проекцияланбайтын ординалдармен тығыз байланысты. Саналатын ординал тұрақты деп аталады, егер , мұнда – берілген ординалдан үлкен рұқсат етілген ординалдан үлкен ең кіші рұқсат етілген ординал.
Псевдо-жақсы-ретілім
Клиннің белгілер схемасында кейбір белгілер ординалдарды көрсетеді, ал кейбіреулері көрсетпейді. Клин белгілерінің ішкі жиыны ретінде рекурсивті толық реттеуді анықтауға болады, оның бастапқы сегменті жақсы реттелген, және әрбір рекурсивті санамалы (немесе тіпті гипер арифметикалық) бос емес ішкі жиынында ең кіші элемент болады. Сондықтан, ол кейбір жағынан жақсы реттеуге ұқсайды. Мысалы, оның үстінде арифметикалық амалдарды анықтауға болады. Дегенмен, бастапқы жақсы реттелген бөлігінің қайда аяқталатынын және ең кіші элементі жоқ бөлігінің қайда басталатынын тиімді анықтау мүмкін емес. Рекурсивті псевдо-реттеудің мысалы ретінде, S-ті ATR0 немесе гипер арифметикалық ω модельдері жоқ, бірақ ω моделі бар, басқа рекурсивті аксиоматизацияланатын теория деп алсын, және (қажет болса) S-ті Skolem функцияларымен консервативті кеңейтіңіз. T-ні S-тің (негізінен) шекті бөлшек ω модельдерінің ағашы деп алсын: Табиғи сандар тізбегі T-ге жатады, егер S + ∃m φ(m) ⇒ φ(x⌈φ⌉) (бір сандық еркін айнымалысы бар алғашқы n формулалар үшін φ; ⌈φ⌉ – Гёдель саны) n-ден қысқа қайшылық дәлелі болмаса. Содан кейін T-нің Клине-Брувер реті рекурсивті псевдо-реттеу болып табылады. Мұндай кез келген құрылымның рет түрі болуы керек, мұндағы рет түрі – және – рекурсивті ординал.
Рекурсивті және рекурсивті емес ординалдар
Майкл Ратхен, "Ординалдық талдау саласы". С. Б. Купер және Дж. Трасс (ред.) : Жинақтар мен дәлелдемелер. (Кембридж университетінің баспасы, 1999) 219–279. PostScript файлы түрінде.