Кіріспе

Математикалық талдау
Математикада конструктивті талдау — конструктивті математиканың белгілі бір принциптеріне сәйкес жасалатын математикалық талдау.

Кіріспе

Пәннің атауы классикалық талдаумен қайшы келеді, бұл осы контексте классикалық математиканың дәстүрлі принциптеріне сәйкес жасалған талдауды білдіреді. Дегенмен, әртүрлі мектептер мен конструктивті талдаудың көптеген әртүрлі формализациялары бар. Классикалық немесе қандай да бір жолмен конструктивті болсын, мұндай талдаудың кез келген жүйесі нақты сандар түзуін қандай да бір тәсілмен аксиоматизациялайды, яғни рационал сандарды кеңейтетін және асимметриялық реттеу құрылымынан анықталатын айырмашылық қатынасы бар жиынтық. Басты рөлде оңдық предикаты тұрады, бұл жерде белгіленген, ол нөлге теңдікті анықтайды. Жиынтықтың мүшелері әдетте нақты сандар деп аталады. Бұл термин пән шеңберінде мағыналық жүктемеге ие болғанымен, барлық жүйелер классикалық талдаудың теоремалары болып табылатын ортақ нәтижелердің кең ядросын бөліседі. Оның тұжырымдамасының конструктивті негіздері – Хейтинг арифметикасының кеңейтімдері, соның ішінде конструктивті екінші реттік арифметика, жеткілікті күшті топостар, типтер немесе конструктивті жиын теориялары, мысалы, -ның конструктивті баламасы. Әрине, тікелей аксиоматизацияны да зерттеуге болады.

Логикалық алдын ала түсініктер

Конструктивті талдаудың негізгі логикасы интуиционистік логика болып табылады, яғни, шығарылған орта принципi әрбір ұйғарым үшін автоматты түрде қабылдамайды. Егер ұйғарым дәлелденсе, бұл дәл сол, егер болмау туралы талап дәлелденсе, абсурд болар еді, сондықтан соңғысы дәйекті теорияда дәлелдене алмайды. Екі рет жоққа шығарылған болмыс туралы талап – логикалық теріс мәлімдеме және ол болмыс туралы талаптан туындайды, бірақ көбінесе оған тең емес. Конструктивті талдаудың көптеген күрделіліктерін логикалық теріс формадағы ұйғарымдардың әлсіздігі тұрғысынан қарастыруға болады, бұл әдетте олардан күшсіз, сондай-ақ, импликация көбінесе кері қайтарылмайды. Конструктивті теория классикалық нұсқасындағы классикалық қарсы тұрағына қарағанда аз теоремаларды дәлелдейді, бірақ ол тартымды металогикалық қасиеттерді көрсетуі мүмкін. Мысалы, егер теория дизъюнкция қасиетін көрсетсе, онда егер ол дизъюнкцияны дәлелдесе, онда да немесе дәлелденеді. Классикалық арифметикада бұл сандар тізбегі туралы ең қарапайым ұйғарымдар үшін бұзылады, бұл төменде көрсетілгендей.

Реттілік пен ажыратулар

Нақты жабық өріс теориясы барлық логикалық емес аксиомалар конструктивті принциптерге сәйкес келетіндей етіп аксиомалана алады. Бұл оңдық предикаты үшін постулаттары бар коммутативтік сақинаға қатысты, оң бірлікпен және оң емес нөлмен, яғни, және кез келген мұндай сақинада , оның конструктивтік тұжырымдамасында қатаң толық тәртіпті құрайды (сызықтық тәртіп деп те аталады немесе, контекстті нақты көрсету үшін, псевдо тәртіп). Бұл бірінші реттік теория маңызды, себебі төменде талқыланатын құрылымдар оның моделі болып табылады. Дегенмен, осы бөлімде топологияға ұқсас мәселелер қарастырылмайды және тиісті арифметикалық субструктуралар онда анықталмайды. Түсіндірілгендей, әр түрлі предикаттар конструктивтік тұжырымдауда шешілмейтін болады, мысалы, тәртіптік қатынастардан құрылғандар. Бұл "", теріске шығаруға эквивалентті болады. Маңызды дизъюнкциялар енді нақты талқыланады.

Трихотомия

Интуиционистік логикада, формадағы дизъюнктивті сылтама, көбінесе тек бір бағытта ғана қолданылады. Псевдоретте біреуде бар, және шындығында, үштен ең көп дегеніңіз біреуі ғана бір уақытта орын ала алады. Бірақ трихотомиялық дизъюнкцияның күшті, логикалық оң заңы жалпы жағдайда қолданылмайды, яғни, барлық нақты сандар үшін оны дәлелдеу мүмкін емес. Аналитикалық бөлімді қараңыз. Дегенмен, басқа дизъюнкциялар басқа оң нәтижелерге негізделген, мысалы, теориядағы асимметриялық тәртіп, барлық үшін әлсіз сызықтық қасиетті қанағаттандыруы керек, бұл нақты сандардың орналасуымен байланысты. Теория, позитивтік предикат пен алгебралық амалдар арасындағы қатынасқа қатысты, соның ішінде көбейтуге кері амалға және полиномдар үшін аралық мән теоремасына қатысты қосымша аксиомаларды растауы тиіс. Бұл теорияда, кез келген екі бөлек санның арасында басқа сандар бар.

Вариациялар

Жоғарыда аталғандай жақсы реттік қасиеттерді талап ету, сонымен бірге күшті толықтық қасиеттерге ие болу, ерекше атап айту керек, Макнейл толықтығы жиынтық ретінде жақсырақ толықтық қасиеттерін ұсынады, бірақ оның реттік қатынасының күрделі теориясы бар, нәтижесінде орналасу қасиеттері нашарлайды. Бұл құрылым да жиі қолданылмайды, бірақ .

Керіленбеушілік

Нақты сандардың коммутативтік сақинасында, дәлелмен инвертіленбейтін элемент нөлге тең болады. Осы және ең қарапайым жергілікті құрылым Хейтинг өрістері теориясында абстракцияланады.

Рационалды тізбектер

Нақты сандарды өзгермейтін тізбектермен сәйкестендіру – жиі қолданылатын тәсіл. Тұрақты тізбектер рационалды сандарға сәйкес келеді. Қосу және көбейту сияқты алгебралық амалдар компоненттік түрде анықталуы мүмкін, жылдамдықты арттыру үшін жүйелі қайта индекстеумен бірге. Тізбектер арқылы берілген анықтама, сонымен қатар, қажетті аксиомаларды қанағаттандыратын қатаң реттілік анықтауға мүмкіндік береді. Жоғарыда талқыланған басқа қатынастар осы реттілік арқылы анықталуы мүмкін. Атап айтқанда, 0-ден өзге кез келген санның, яғни, белгілі бір индекснен бастап барлық элементтері кері өрнекті болады. Әртүрлі қатынастар арасындағы және әртүрлі қасиеттері бар тізбектер арасындағы түрлі салдарлар одан әрі дәлелденуі мүмкін.

Модульдер

Рационалдардың шекті жиынтығындағы ең үлкен сан анықтамалы болғандықтан, нақты сандар бойынша абсолюттік шама функциясын анықтауға болады және Коши конвергенциясы мен нақты сандар тізбектерінің лиміттері қалыпты түрде анықталады. Коши тізбектерін конструктивті түрде зерттеуде конвергенция модулі жиі қолданылады, яғни әрбір санға тиісті индексті (одан кейінгі тізбектер арасындағы айырма берілгеннен кіші болатын) сәйкестендіру, нақты және қатаң өсуші функция түрінде талап етіледі. Мұндай модуль нақты сандар тізбегі үшін қарастырылуы мүмкін, бірақ ол барлық нақты сандар үшін де қарастырылуы мүмкін, онда жұптастырылған тізбектермен жұмыс істеуге болады.

Шекаралар мен билік

Мұндай модель одан әрі жиын теориялық ұғымдарды анықтауға мүмкіндік береді. Нақты сандардың кез келген ішкі жиыны үшін, жоғарғы шек туралы айтуға болады, ол "" арқылы теріс сипатталады. ""-ға қатысты ең кіші жоғарғы шектер туралы да айтуға болады. Супремум – нақты сандар тізбегі арқылы берілген жоғарғы шек, ол "" арқылы оң сипатталады. Егер жоғарғы шегі бар ішкі жиын ""-ға қатысты жақсы қасиеттерге ие болса (төменде талқыланады), онда оның супремумы болады.

Епископтың ресмилігі

Конструктивті талдаудың бір формализациясы, жоғарыда сипатталған реттік қасиеттерді модельдеу, тұрақтылық шартын орындайтын рационалдар тізбектері үшін теоремаларды дәлелдейді. Балама ретінде , орнына қатаңды пайдалануға болады, ал соңғы жағдайда нөлдік емес индекстерді қолдану қажет. Қалыпты тізбектегі екі рационал мүшесінің арасынан бірінен-бірі артық болмайды, сондықтан кез келген нақты санды басып өтетін натурал сандарды есептеуге болады. Қалыпты тізбектер үшін логикалық оң, бос позитивтілік қасиеті деп анықталады, мұнда оң жақтағы қатынас рационал сандар арқылы беріледі. Формальды түрде, осы тілдегі оң нақты сан – позитивтілікті куәландыратын натурал санмен бірге келетін қалыпты тізбек. Әрі, , бұл логикалық тұрғыдан жоғарыдағының терісіне тең, және бұл дәлелмен транзитивті болып табылады, сондай-ақ эквиваленттілік қатынасы болып табылады. Осы предикат арқылы, жолақтағы қалыпты тізбектер нөлдік тізбекке тең деп есептеледі. Мұндай анықтамалар, әрине, классикалық зерттеулермен үйлесімді және олардың өзгерулері бұрыннан жақсы зерттелген. Сондай-ақ, мысалы, сандық теріс емес қасиеттен анықталуы мүмкін, яғни барлық үшін , бірақ содан кейін бұл алдыңғысының логикалық терісіне тең екені көрсетіледі.

Вариациялар

Жоғарыдағы анықтама жиі қолданылатын шекті пайдаланады. Басқа формализациялар тікелей кез келген берілген шек үшін сандар мен сандардың мәңгілікке дейін белгілі бір жақындыққа ие болуын анықтама ретінде қабылдайды. Экспоненциалды түрде кемитін шектер де қолданылады, мысалы, нақты сан шартында , және сол сияқты екі нақты санның теңдігі үшін де. Сондай-ақ, рационалдар тізбегіне жуысу модулі талап етілуі мүмкін. Оң қасиеттерді белгілі бір рационал санмен мәңгілікке дейін алшақтау арқылы анықтауға болады. Функцияны таңдау немесе күшті принциптер мұндай құрылымдарға көмектеседі.

Кодтау

Бұл тізбектерді өте ықшам түрде кодтауға болады, себебі олардың әрқайсысын A-ның бірегей подкласына шартуға болады. Рационал тізбектерін төрттіктер жиыны ретінде кодтауға болады. Бұлардың өзі арифметиканың негізгі теоремасын қолдана отырып, бірегей натурал сан ретінде кодталуы мүмкін. Экономикалық жұптастыру функциялары, кеңейтім кодтау белгілері немесе метадеректер де бар. Мысал ретінде, осы кодтауды пайдаланып, тізбектер Эйлер санын есептеу үшін қолданылуы мүмкін, ал жоғарыдағы кодтау бойынша ол подкласына шартады. Бұл мысал, сомалардың нақты тізбегі болғандықтан, бастапқыда толық рекурсивті функция болып табылады, бірақ кодтау сонымен қатар бұл объектілердің екінші реттік арифметикадағы кванторлардың қолданыс аясында екенін көрсетеді.

Кошидің нақтылары

Кейбір талдау жүйелерінде, осындай жақсы қасиеттері бар тізбектерге немесе рационал сандарға "нақты сандар" деген атау беріледі, ал мұндай қатынастар теңдік немесе нақты сандар деп аталады. Дегенмен, екі байланысты нақты санды ажырата алатын қасиеттердің бар екенін ескеру қажет. Керісінше, натурал сандарды модельдейтін және тіпті классикалық түрде санауға келмейтін функциялық кеңістіктердің бар екенін растайтын жиын теориясында (мысалы, немесе тіпті ) "" арқылы эквивалентті сандар жинақталғанда, бұл жиын "Коши нақты саны" деп аталады. Осындай жағдайда, реттелген рационал тізбектер Коши нақты санының тек бір өкіліне дейін төмендейді. Осы нақты сандардың теңдігі жинақтардың теңдігі арқылы анықталады, ол жиын теориясының экстенсионалдылық аксиомасымен реттеледі. Соның салдары ретінде, жиын теориясы логикалық теңдікті қолдана отырып, нақты сандар үшін, яғни осы жинақтар класы үшін қасиеттерді дәлелдейді. Тиісті таңдау аксиомалары болған жағдайда, конструктивті нақты сандар Коши толық болады, бірақ автоматты түрде рет бойынша толық бола бермейді.

Дедекиндтік нақтылар

Осы контексте теорияны немесе нақты сандарды Дедекинд кесулері арқылы модельдеу де мүмкін. Кемінде, таңдау аксиомасы немесе тәуелді таңдау аксиомасын қабылдағанда, бұл құрылымдар изоморфты болады.

Интервалдық арифметика

Тағы бір тәсіл — нақты санды, мекенделген, жұп-жұп қиылысатын аралықтарды көрсететін нақты бір ішкі жиын ретінде анықтау.

Есепке алынбайтындық

Естеріңізге сала кетейік, жиын теориясындағы кардиналдар бойынша алдын ала рет – инъекцияның болуы ретінде анықталатын негізгі ұғым. Осының салдарынан, кардиналдар ретінің конструктивтік теориясы классикалық теориядан айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін. Мұнда, нақты сандардың кейбір модельдері немесе ұқсас жиындар санаулы емес деп қарастырылуы мүмкін. Алайда, Кантордың диагональдық құрылымы, қуат жиындарының (мысалы, ) және қарапайым функциялық кеңістіктердің санаулы еместігін дәлелдейді, бұл интуиционистік тұрғыдан дұрыс. Егер саналатын таңдау аксиомасы қабылданса немесе оның орнына, конструктивтік аяда да модельдер әрқашан санаулы емес болады. Аталған жағдайда қолданылатын диагональдық құрылыстың бір түрі былай тұжырымдалуы мүмкін, ол саналатын таңдауды пайдалана отырып және нақты сандарды рационал сандар тізбегі ретінде қарастыра отырып дәлелденеді: Кез келген екі нақты сан жұбы және нақты сандар тізбегі үшін, сондықтан және нақты сандарды анықтауда нақты модульдердің қолданылуы жеке қарастыруға мүмкіндік береді. Канаморидің сөзіне сүйенсек, "диагонализацияны конструктивтілікпен байланыстыратын тарихи қате түсінік таратылды" және диагональдық аргументтің конструктивтік бөлігі Кантордың еңбектерінде-ақ кездесетін.

Санаты мен түрі теориясы

Осы барлық мәселелер топоста немесе сәйкес тәуелді типтер теориясында да қарастырылуы мүмкін.

Негізгі қағидалар

Практикалық математика үшін әртүрлі мектептерде тәуелді таңдау аксиомасы қабылданады. Рекурсивті математиканың орыс мектебі Марков принципін қабылдайды. Бұл принцип қатаң теңсіздіктің дәлелденген жоқтығының әсерін күшейтеді. Оның аналитикалық түрі немесе одан әлсіз түрлері қолданылуы мүмкін. Брауэр мектебі спредтер арқылы ойлайды және классикалық түрде дұрыс бар индукциясын қабылдайды.

Классикалыққа қарсы мектептер

Қосымша дәйекті аксиомаларды қабылдау арқылы шешілмейтіндіктің терістелуі дәлелденуі мүмкін. Мысалы, Брауэрдің сабақтастық принциптерін немесе рекурсивті математикадағы Черчтың тезисін қабылдағанда нөлге теңдік шешілмейтін болып қарастырылады. Әлсіз сабақтастық принципі тіпті Спекер тізбегінің болуын жоққа шығарады. Мұндай құбылыстар реализациялық топостарда да кездеседі. Ерекше айта келерлік жайт, бір-біріне қарама-қарсы екі антиклассикалық мектеп бар. Бұл мақалада классикалық теориямен үйлесімді принциптер талқыланады және таңдау нақты түрде көрсетіледі.

Теоремалар

Көптеген классикалық теоремалар классикалық логикаға эквивалентті логикалық тұжырымдамада ғана дәлелдене алады. Жалпы айтқанда, конструктивті талдаудағы теорема тұжырымдамасы ажыратылатын кеңістіктерде классикалық теорияға ең жақын болады. Кейбір теоремаларды тек жуықтаулар арқылы ғана тұжырымдау мүмкін.

Аралық мән теоремасы

Қарапайым мысал ретінде аралық мән теоремасын (IVT) қарастырайық. Классикалық талдауда IVT мынаны білдіреді: егер f (a) теріс, ал f (b) оң болса, онда [a, b] жабық аралығындағы кез келген үздіксіз функция f үшін, аралықта f(c) дәл нөлге тең болатын нақты сан c бар. Конструктивті талдауда бұл орынды емес, себебі экзистенциалдық сандық анықтаманың (яғни «бар») конструктивті түсіндірмесі c нақты санын құрастыруды талап етеді (рационал санның кез келген қажетті дәлдікке дейін жуықталуы мүмкін екендігін ескере отырып). Бірақ егер f өзінің анықталу облысындағы бір кезеңде нөлге жақын қозғалса, онда мұны міндетті түрде істеуге болмайды. Дегенмен, конструктивті талдау IVT-нің бірнеше баламалы формулировкаларын ұсынады, олардың барлығы классикалық талдаудағы дәстүрлі формамен эквивалентті, бірақ конструктивті талдауда емес. Мысалы, классикалық теоремадағыдай f-қа қатысты бірдей шарттар орындалғанда, кез келген табиғи n саны үшін (қанша үлкен болса да), аралықта |f(cn)| 1/n-ден кіші болатын cn нақты саны бар (яғни, біз оны құрастыра аламыз). Яғни, біз нөлге қалағанша жақындаса аламыз, тіпті дәл нөлді беретін c санын құрастыра алмасақ та. Басқаша айтқанда, классикалық IVT-дегідей бірдей қорытындыны сақтай аламыз – f(c) дәл нөлге тең болатын жалғыз c – бірақ f-қа қатысты шарттарды күшейте аламыз.
Біз f-тың жергілікті түрде нөлдік емес болуын талап етеміз, яғни [a, b] аралығындағы кез келген x нүктесі және кез келген m табиғи саны үшін, |y - x| < 1/m және |f(y)| > 0 болатын аралықтағы y нақты саны бар (біз оны құрастыра аламыз). Осы жағдайда қажетті c санын құрастыруға болады. Бұл күрделі шарт, бірақ оны білдіретін және көбінесе орындалатын бірнеше басқа шарттар бар; мысалы, кез келген аналитикалық функция жергілікті түрде нөлдік емес (егер f(a) < 0 және f(b) > 0 болса). Бұл мысалды қарастырудың тағы бір жолы ретінде, классикалық логикаға сәйкес, егер жергілікті түрде нөлдік емес шарт орындалмаса, онда ол белгілі бір x нүктесінде орындалмауы керек; содан кейін f(x) 0-ге тең болады, сондықтан IVT автоматты түрде орындалады. Осылайша, классикалық талдауда, классикалық логиканы қолдана отырып, толық IVT-ні дәлелдеу үшін конструктивті нұсқаны дәлелдеу жеткілікті. Осы тұрғыдан алғанда, толық IVT конструктивті талдауда орынсыз, себебі конструктивті талдау классикалық логиканы қабылдамайды. Керісінше, IVT-нің нағыз мағынасы, тіпті классикалық математикада да, жергілікті түрде нөлдік емес шартты қамтитын конструктивті нұсқа деп айтуға болады, ал толық IVT кейін «таза логикамен» туындайды. Кейбір логиктер классикалық математиканың дұрыс екенін мойындаса да, конструктивті тәсіл теоремалардың нағыз мағынасын түсінуге жақсы көмектеседі деп санайды.

Ең төменгі жоғарғы шекті принцип және компактты жиынтықтар

Классикалық және конструктивті талдау арасындағы тағы бір айырмашылық – конструктивті талдау ең кішкентай жоғарғы шек принципін дәлелдемейді, яғни нақты сандар түзуі R-дің кез келген ішкі жиынының ең кішкентай жоғарғы шегі (немесе супремумы) болады, бұл шексіз де болуы мүмкін. Дегенмен, аралық мән теоремасындағыдай, балама нұсқасы сақталады: конструктивті талдауда нақты түзудің кез келген анықталған ішкі жиыны супремумға ие. (Мұнда R жиынының S ішкі жиыны анықталған болып есептеледі, егер x < y нақты сандар болса, онда S жиынында x < s болатын s элементі бар немесе y саны S жиынының жоғарғы шегі болады.) Тағы да, бұл классикалық тұрғыдан толық ең кішкентай жоғарғы шек принципімен эквивалентті, себебі классикалық математикада кез келген жиын анықталған болып есептеледі. Сондай-ақ, анықталған жиынның анықтамасы күрделі болғанымен, көптеген зерттелген жиындарға, соның ішінде барлық интервалдарға және барлық компактты жиындарға қатысты. Осыған орай, конструктивті математикада компактты кеңістіктердің сипаттамалары аз ғана конструктивті жарамды болады – немесе басқаша айтқанда, классикалық тұрғыдан эквивалентті, бірақ конструктивті тұрғыдан эквивалентті емес бірнеше ұғымдар бар. Расында, егер [a,b] аралығы конструктивті талдауда тізбектік компактты болса, онда классикалық IVT мысалдағы бірінші конструктивті нұсқадан туындайды: (cn)n∈N шексіз тізбегінің кластерлік нүктесі ретінде c табылуы мүмкін.