Кіріспе
Математикалық логикада Борел иерархиясы - поляк кеңістігінің ашық қосалқы жиынтықтары арқылы құрылған Борел алгебрасының қабатталуы; бұл алгебраның элементтері Борел жиынтықтары деп аталады. Әрбір Борел жиынына Борел жиынының рангі деп аталатын бірегей саналатын реттік сан беріледі. Борел иерархиясы сипаттамалық жиынтық теориясында ерекше қызығушылық тудырады. Борел иерархиясының бір кең таралған қолданылуы - реттік бойынша трансфинитті индукцияны пайдалана отырып, Борел жиынтығы туралы фактілерді дәлелдеу. Шағын шекті қатарлы жиындардың қасиеттері өлшем теориясы мен талдауда маңызды.
Борел жиынтығы
Борел алгебрасы кездейсоқ топологиялық кеңістікте - ашық жиынтықты қамтитын кеңістіктің кішігірім жиынтығы және саналатын одақтар мен толықтырулар бойынша жабық. Борел алгебрасы саналатын қиылыстарда да жабық екендігін көрсетуге болады. Борел алгебрасының жақсы анықталғанын дәлелдеудің қысқаша дәлелі кеңістіктің бүкіл күштер жиынтығы толықтырмалар мен саналатын одақтар астында жабық екенін көрсету арқылы жалғасады, сондықтан Борел алгебрасы бұл жабылу қасиеттеріне ие кеңістіктің барлық кіші жиынтықтар отбасыларының қиылысы болып табылады. Бұл дәлелдеме жиынның Борель екенін анықтаудың қарапайым процедурасын бермейді. Борел иерархиясының мотивациясы - Борел жиынтықтарының нақты сипаттамасын беру.
Кіші дәрежелі борлы жиынтықтар
Кіші реттік кластар классикалық сипаттамалық жиынтық теориясында баламалы атаулармен белгілі. Бұл ашық жиынтық. Жинақтар - жабық жиынтықтар. Жинақтар - жабық жиынтықтардың саналатын одақтары, олар Fσ жиынтықтары деп аталады. Жинақтар - бұл қос класты және ашық жиынтықтардың саналатын қиылысы ретінде жазылуы мүмкін. Бұл жиынтықтар Gδ жиынтықтары деп аталады.
Жарық бетінің иерархиясы
Lightface Borel иерархиясы (осылай-ақ тиімді Borel иерархиясы деп аталадыpp.163 164) - бұл қалың әріпті Borel иерархиясының тиімді нұсқасы. Бұл тиімді сипаттамалық жиынтық теориясы мен рекурсия теориясында маңызды. Жарық бет Борел иерархиясы тиімді поляк кеңістігінің субжиынтықтарының арифметикалық иерархиясын кеңейтеді. Ол гиперарифметикалық иерархиямен тығыз байланысты. Borel жарық бетінің иерархиясын кез келген тиімді поляк кеңістігінде анықтауға болады. Ол кластардан тұрады, және әрбір нөлден басқа саналатын ординал Church Kleene ординалдан аз әр класты кеңістіктің кіші жиынтығы құрайды. Сыныптар және сыныптардың элементтерінің кодтары индуктивті түрде былайша анықталады: Жинақ егер және тек егер ол тиімді ашық болса, яғни негізгі ашық жиынтықтардың есептелетін саналатын тізбегінің бірі болып табылатын ашық жиынтық. Мұндай жиынның коды - жұп (0,e), мұндағы e - негізгі ашық жиынтықтардың тізбесін санап шығаратын бағдарламаның индексі. Жинақ, егер оның толықтырмасы болса, онда ғана осы жиынтықтардың біреуінің коды жұп (1,c) болса, онда c - толықтырма жиынтықтың коды. Жинақ, егер жиындардың тізбектері үшін кодтардың саналатын тізбегі болса, онда әрқайсысы кейбіреулер үшін және жиынның коды - жұп (2,e), мұндағы e - бағдарламаның индексі, ол тізбектің кодтарын санап шығарады. Борелдің жарық бетінің коды жиыны кіші реттік жиындардан жиынтықты қалай қалпына келтіру туралы толық ақпаратты береді. Бұл қалың әріпті иерархиямен қарама-қарсы, онда мұндай тиімділік талап етілмейді. Әрбір жарық бетінің Борел жиынтығында шексіз көп ерекше кодтар бар. Басқа кодтау жүйелері де мүмкін; басты идеясы - код тиімді түрде ашық жиынтықтарды, алдыңғы кодтармен ұсынылған жиынтықтардың толықтыруларын және кодтар тізбектерінің есептелетін санауларын тиімді ажыратуы керек. Әрқайсысы үшін , жиындары бар екендігін және осылайша иерархия құлдырамайтынын көрсетуге болады. Алайда, жаңа сеттер сахнада қосылмайды. Спектор мен Клинеге байланысты белгілі теорема, жиынтық Borel иерархиясында, егер және тек егер ол аналитикалық иерархия деңгейінде болса ғана. Бұл жиынтықтарды гиперарифметика деп те атайды. Сонымен қатар, барлық табиғи сандар үшін Борелдің тиімді иерархиясының кластары мен арифметикалық иерархиясының кластары мен арифметикалық иерархиясы бірдей. p.168 А жарық бетінің Борел жиынтығы коды, түйіндері кодтармен таңбаланған ағаштарды индуктивті түрде анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Ағаштың тамыры А-ның кодымен белгіленеді . Егер түйін (1,c) түріндегі кодпен таңбаланса, онда оның c кодты бала түйіні болады. Егер түйін (2,e) түріндегі кодпен таңбаланса, онда ол бағдарламада индексі e бар әрбір код үшін бір балаға ие болады. Егер түйін (0,e) түріндегі кодпен таңбаланса, онда оның балалары болмайды. Бұл ағаш А-ның кіші реттік жиынтықтардан қалай құрылатынын сипаттайды. А құрылысында пайдаланылған ординалдар бұл ағаштың шексіз жолына ие болмауын қамтамасыз етеді, өйткені ағаштың кез келген шексіз жолына 2 санынан басталатын шексіз көп кодтар кіреді, сондықтан ол сансыз азайу реттілігін береді. Керісінше, егер кездейсоқ subtree of түйіндері кодтармен тұрақты түрде таңбаланған болса және ағаштың шексіз жолдары болмаса, онда ағаштың тамырындағы код lightface Borel жиынының коды болып табылады. Бұл жиынның дәрежесі KleeneBrouwer реті бойынша ағаштың реттік түрімен шектеледі. Ағаш арифметикалық түрде анықталатындықтан, бұл қатардан төмен болуы керек. Бұл жарық бет иерархиясының анықтамасындағы ChurchKleene ordinal шығу тегі.
A set is if and only if it is effectively open, that is, an open set which is the union of a computably enumerable sequence of basic open sets. A code for such a set is a pair (0,e), where e is the index of a program enumerating the sequence of basic open sets. A set is if and only if its complement is A code for one of these sets is a pair (1,c) where c is a code for the complementary set. A set is if there is a computably enumerable sequence of codes for a sequence of sets such that each is for some and A code for a set is a pair (2,e), where e is an index of a program enumerating the codes of the sequence
A code for a lightface Borel set gives complete information about how to recover the set from sets of smaller rank. This contrasts with the boldface hierarchy, where no such effectivity is required. Each lightface Borel set has infinitely many distinct codes. Other coding systems are possible; the crucial idea is that a code must effectively distinguish between effectively open sets, complements of sets represented by previous codes, and computable enumerations of sequences of codes. It can be shown that for each there are sets in , and thus the hierarchy does not collapse. No new sets would be added at stage , however. A famous theorem due to Spector and Kleene states that a set is in the lightface Borel hierarchy if and only if it is at level of the analytical hierarchy. These sets are also called hyperarithmetic. Additionally, for all natural numbers , the classes and of the effective Borel hierarchy are the same as the classes and of the arithmetical hierarchy of the same name. p.168
The code for a lightface Borel set A can be used to inductively define a tree whose nodes are labeled by codes. The root of the tree is labeled by the code for A. If a node is labeled by a code of the form (1,c) then it has a child node whose code is c. If a node is labeled by a code of the form (2,e) then it has one child for each code enumerated by the program with index e. If a node is labeled with a code of the form (0,e) then it has no children. This tree describes how A is built from sets of smaller rank. The ordinals used in the construction of A ensure that this tree has no infinite path, because any infinite path through the tree would have to include infinitely many codes starting with 2, and thus would give an infinite decreasing sequence of ordinals. Conversely, if an arbitrary subtree of has its nodes labeled by codes in a consistent way, and the tree has no infinite paths, then the code at the root of the tree is a code for a lightface Borel set. The rank of this set is bounded by the order type of the tree in the Kleene–Brouwer order. Because the tree is arithmetically definable, this rank must be less than This is the origin of the Church–Kleene ordinal in the definition of the lightface hierarchy.