Кіріспе

Лебег өлшемі жоқ нақты сандар жиыны. Математикада Витали жиыны – 1905 жылы Джузеппе Витали тапқан Лебег өлшемі жоқ нақты сандар жиынының қарапайым мысалы. Витали теоремасы – мұндай жиындардың бар екенін көрсететін теорема. Әрбір Витали жиыны санауға келмейтін, және Витали жиындары санауға келмейтін көпте. Олардың бар екенін дәлелдеу таңдау аксиомасына негізделген.

Өлшеуге болатын жиынтықтар

Кейбір жиынтықтардың белгілі бір "ұзындығы" немесе "массасы" болады. Мысалы, [0, 1] аралығы 1 ұзындығы бар деп есептеледі; жалпы алғанда, [a, b], a ≤ b аралығы b - a ұзындығы бар деп есептеледі. Егер біз мұндай аралықтарды біркелкі тығыздықтағы металл таяқшалар деп ойласақ, олардың да массасы анық болады. [0, 1] ∪ [2, 3] жиыны ұзындығы бір болатын екі аралықтан тұрады, сондықтан оның жалпы ұзындығын 2 деп аламыз. Масса жағынан алғанда, екі таяқшаның массасы 1 болғандықтан, жалпы массасы 2 болады. Мұнда табиғи сұрақ туындайды: егер E – нақты түзудің кез келген ішкі жиыны болса, онда оның "массасы" немесе "жалпы ұзындығы" бар ма? Мысал ретінде, 0 мен 1 арасындағы рационал сандар жиынының массасы қандай деп сұрауымыз мүмкін, [0, 1] аралығының массасы 1 болғандықтан. Рационал сандар нақты сандарда тығыз, сондықтан 0 мен 1 арасындағы кез келген мән мүмкін болып көрінуі мүмкін. Дегенмен, массаға ең жақын жалпылау – сигма-аддитивтілік, ол Лебег өлшеміне алып келеді. Ол [a, b] аралығына b – a шамасын тағайындайды, бірақ рационал сандар жиынына 0 шамасын тағайындайды, өйткені ол санаулы. Лебег өлшемі дұрыс анықталған кез келген жиын "өлшенетін" деп айтылады, бірақ Лебег өлшемінің құрылысы (мысалы, Каратедори кеңейту теоремасын қолдану арқылы) өлшенбейтін жиынның бар-жоғын анықтап көрсетпейді. Осы сұраққа жауап таңдау аксиомасымен байланысты.

Құрылымы мен дәлелдеуі

Витали жиынтығы — нақты сандар аралығының ішкі жиынтығы, яғни әрбір нақты сан үшін, рационал сан болатын дәл бір сан болады. Витали жиынтықтары бар, себебі рационал сандар қосу бойынша нақты сандардың нормальды ішкі тобын құрайды, және бұл осы екі топтың қосындылық фактортобын құруға мүмкіндік береді, бұл рационал сандардың косеттерінен тұратын топ, қосу бойынша нақты сандардың ішкі тобы ретінде. Бұл топта бір-бірімен қиылыспайтын "ығысқан көшірмелер" бар, яғни осы фактортоптың әрбір элементі түріндегі жиынтық болып табылады, мұнда - ішіндегі бір элемент. санауға болмайтын элементтердің саны жиынтығын бір-бірімен қиылыспайтын жиынтарға бөледі, және әрбір элемент ішінде тығыз. тобының әрбір элементі мен қиылысады, ал таңдау аксиомасы жиынтығының әрбір элементінен дәл бір өкілді қамтитын жиынның бар екендігін кепілдейді. Осылай құрылған жиын Витали жиынтығы деп аталады. Кез келген Витали жиынтығы санауға болмайтын, және кез келген үшін иррационал болады.

Қасиеттері

Виталий жиындарының ешқайсысы Бейр қасиетіне ие емес. Жоғарыдағы дәлелді өңдеу арқылы, әрбір Виталий жиынының Банах өлшемі 0-ге тең екенін көрсетеді. Бұл ешқандай қайшылыққа алып келмейді, себебі Банах өлшемдері саналатын қосымша емес, тек шекті қосымша ғана.

Таңдау аксиомасының рөлі

Жоғарыда келтірілген Виталий жиындарының құрылысы таңдау аксиомасын қолданады. Сұрақ туындайды: Лебег өлшенбейтін жиындардың бар екенін дәлелдеу үшін таңдау аксиомасы қажет пе? Жауап: иә, егер қолжетімсіз кардиналдар жинақ теориясының ең көп таралған аксиоматизациясы – ZFC-мен үйлесімді болса. 1964 жылы Роберт Соловэй таңдау аксиомасы жоқ Zermelo-Fraenkel жинақ теориясының моделін құрды, онда барлық нақты сандар жиыны Лебег өлшенетін болады. Бұл модель Соловэй моделі деп аталады. Дәлелінде Соловэй қолжетімсіз кардиналдардың бар екені Zermelo-Fraenkel жинақ теориясының басқа аксиомаларымен қарама-қайшылық тудырмайтынын болжады. Бұл болжамды көптеген жинақ теорияшылары дұрыс деп санайды, бірақ оны ZFC-де ғана дәлелдеу мүмкін емес. 1980 жылы Сахарон Шелах Соловэйдің нәтижесін қолжетімсіз кардиналдар туралы болжамсыз алу мүмкін емес екенін дәлелдеді.