Введение
В математической логике, иерархия Бореля - это стратификация Борелевской алгебры, генерируемая открытыми подмножествами полякского пространства; элементы этой алгебры называются множествами Бореля. Каждому множеству Бореля присваивается уникальное подсчитываемое порядковое число, называемое рангом множества Бореля. Иерархия Бореля представляет особый интерес в описательной теории множеств. Одно из распространенных применений иерархии Бореля - доказать факты о множествах Бореля с помощью трансфинитной индукции на ранге. Свойства множеств с маленькими конечными порядками важны в теории мер и анализе.
Борельские наборы
Борельская алгебра в произвольном топологическом пространстве - это наименьшая коллекция подмножеств пространства, которая содержит открытые множества и закрыта под подсчитываемыми союзами и дополнением. Можно показать, что алгебра Бореля закрыта и при пересечениях, которые можно сосчитать. Краткое доказательство того, что алгебра Бореля хорошо определена, показывает, что весь набор сил пространства закрыт под дополнениями и считываемыми союзами, и таким образом алгебра Бореля является пересечением всех семей подмножеств пространства, которые имеют эти свойства закрытия. Это доказательство не дает простой процедуры определения того, является ли множество Борелем. Мотивация для иерархии Бореля заключается в том, чтобы обеспечить более ясную характеристику множеств Бореля.
Борель мелкого ранга
Классы малого ранга известны под альтернативными названиями в классической описательной теории множеств. Сюжетные линии - это открытые линии. Набор - это закрытый набор. Множества являются совокупностями замкнутых множеств, и называются множествами Fσ. Множества являются двойным классом и могут быть записаны как пересечение открытых множеств. Эти множества называются множествами Gδ.
Иерархия световых линий
Иерархия Borel lightface (также называемая эффективной иерархией Borelpp.163 164) является эффективной версией иерархии Borel boldface. Это важно в эффективной описательной теории множеств и теории рекурсии. Иерархия Borel lightface расширяет арифметическую иерархию подмножеств эффективного польского пространства. Она тесно связана с гиперарифметической иерархией. Иерархия Borel lightface может быть определена на любом эффективном польском пространстве. Он состоит из классов, и для каждого нулевого подсчитываемого порядкового числа меньше, чем порядковый номер Church Kleene каждый класс состоит из подмножеств пространства. Классы и коды элементов классов индуктивно определяются следующим образом: множество есть, если и только если оно эффективно открыто, то есть открытое множество, которое является объединением вычислимо исчисляемой последовательности основных открытых множеств. Кодом для такого множества является пара (0,e), где e - индекс программы, перечисляющей последовательность основных открытых множеств. Множество есть множество, если и только если его комплемент является кодом для одного из этих множеств, то есть парой (1,c), где c - это код для комплементарного множества. Множество - это если существует вычислимо перечисляемая последовательность кодов для последовательности множеств, так что каждый из них является для некоторых, а код множества - это пара (2,e), где e - индекс программы, перечисляющей коды последовательности. Код для множества Borel lightface дает полную информацию о том, как восстановить множество из множеств меньшего ранга. Это контрастирует с жидкой иерархией, где такая эффективность не требуется. Каждый набор Borel lightface имеет бесконечно много различных кодов. Возможны и другие системы кодирования; ключевая идея заключается в том, что код должен эффективно различать эффективно открытые множества, дополнения множеств, представленных предыдущими кодами, и вычислимые перечисления последовательностей кодов. Можно показать, что для каждого есть множества в , и таким образом иерархия не разрушается. Новые декорации на сцене не будут добавлены. Известная теорема Спектора и Клине гласит, что множество находится в иерархии Бореля светового поля, если и только если оно находится на уровне аналитической иерархии. Эти множества также называются гиперарифметическими. Кроме того, для всех натуральных чисел классы и эффективной Борельской иерархии одинаковы с классами и арифметической иерархии того же имени. p.168 Код набора Borel A может быть использован для индуктивного определения дерева, чьи узлы обозначены кодами. Корень дерева обозначен кодом для А. Если узел обозначен кодом формы (1,c), то у него есть дочерний узел, код которого c. Если узел обозначен кодом формы (2,e), то у него есть один ребенок для каждого кода, перечисленного программой с индексом e. Если узел обозначен кодом формы (0,e), то у него нет детей. Это дерево описывает, как A построен из множеств меньшего ранга. Порядковые числа, используемые в построении A, гарантируют, что это дерево не имеет бесконечного пути, потому что любой бесконечный путь через дерево должен включать бесконечно много кодов, начинающихся с 2, и, таким образом, дает бесконечную убывающую последовательность порядковых чисел. И наоборот, если произвольное поддело of имеет свои узлы, обозначенные кодами последовательным образом, и дерево не имеет бесконечных путей, то код в корне дерева является кодом для набора Borel lightface. Ранг этого множества ограничен типом порядка дерева в порядке Клине Брауэра. Поскольку дерево арифметически определяется, этот ранг должен быть меньше, чем Это является источником порядкового числа ChurchKleene в определении иерархии световых линий.
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.