前言
\(\Pi_1\)反射看上去行为非常简单,强度也不高,那为什么要用这种奇怪的东西?
真正上强度是从\(\Pi_2\)反射开始,随着强度的大幅度提升,序数的行为逐渐复杂,这需要对其行为更深刻的理解,也即对于数学基础的更高要求
在进入\(\Pi_2\)反射之前,需要更多的基础来往后推进,否则只会一头雾水
事实上本文还有许多作者没搞明白的地方,留待之后再修
容许
最原始的定义是从对KP集合论的研究引申出来的
定义:
若\(L_{\alpha}\models\mathbf{KP}\),则称\(\alpha\)为容许序数(admissible)
然而这里并不打算展开KP集合论相关内容,证明论更是不会考虑
设全体容许序数集为\(Ad\)
定理:
\(\Pi_2\Leftrightarrow\alpha>\omega\wedge\alpha\in Ad\)
证明参考这个
可递归函数的上确界\(\omega_1^{CK}\)是最小的容许序数,在不牵涉递归语义时一般记为\(\Omega\)
\(\Pi_2\)反射
结合\(\Pi_1\)反射
\(\Pi_2\)反射序数集合为全体容许序数,从\(\Omega\)开始,为\(\{\Omega,\Omega_2,...\}\)
然后我们取其极限点\(1-2=\{\Omega_\omega,...\}\)
之后我们可以得到一系列序数,可以将其套进OCF里
但是出现了问题:\(\Omega_\omega\)并不是容许序数!为什么?
下证\(\Omega_\omega\)不是\(\Pi_2\)的
引理:
\(\alpha\in Ad\Leftrightarrow\alpha\models\varphi\),其中\(\varphi\)为一个\(L_{\in}\)内的\(\Pi^{0-}_{3}\)语句
证明略
从而我们可以构造一条\(\Pi_2\)语句\(\varphi:\forall\alpha\exists\beta,\beta\in\Pi_2\wedge\beta>\alpha\)
从而有\(L_{\Omega_\omega}\models\varphi\)但是不存在比\(\Omega_\omega\)更小的序数能反射(为什么?因为\(\alpha\)能取到上确界)
通过超限归纳,将\(\Pi_2\)换成小一点的集合,可以证明\(\min(1-)^\alpha2\)等等全都不是\(\Pi_2\)的
取交集与I的引入,\(\varphi\)模式的记录
那么我们该怎么迈出下一步?我们可以取其交集
记\(2\cap~1-2=2~1-2\),从而\(\min 2~1-2\)代表着\(\Omega_\alpha\)的容许点(行为类似于不动点),也是第一个递归不可达序数\(I\),其存在性需用公理保证(从\(\omega\)开始所有基数的存在性都需要对应的大基数公理保证)
然后\(2~aft~2~1-2\)为\(I\)后的第一个容许序数,我们记其为\(\Omega_{I+1}\),类似于\(\zeta_0\)和\(\epsilon_{\zeta_0+1}\)的行为
从而
其中上标处的括号表示的是序数,例如\((2)=I\)
那么\(1-2~1-2\)呢?此处显然是\(1-(2~1-2)=\{I_\omega,...\}\),基本上是从右往左读
看到这个\(\omega\)就要小心了,同样的,可以构造出\(\Pi_2\)公式证明\(I_\omega\)不是\(\Pi_2\)反射的
因此我们可以继续取交集\(2~1-2~1-2=(2~1-)^22\),一般的,我们可以使用\((2~1-)\)这一操作记录容许点,类似于不动点
因此得到\(2~1-2~1-2\)满足\(\alpha=I_\alpha\)
我们可以仿照Veblen\(\varphi\)函数造一个\(I\)函数暂时记录
从而
那么按照这个思路一路下来有\(2~1-(2~1-)^22=(2~1-)^32=I(2,0)\)
然而问题来了,按照\(\varphi\)模式,\(I(2,0)\)记录\(I(1,\alpha)\)的不动点,也即满足
\(I(2,0)=I(1,I(2,0))\),上面这个满足吗?
我们试着用反射序数表示右边:
这是一个不动点,然而稍微想一下就会发现:这个不动点是通过递归方法得到的,而容许序数都是递归不可达的,这两个会相等吗?显然不会
真伪之辩
\(\Pi_2\)的复杂行为,除了无数的层级之外,便集中体现于“真伪”,(递归)不动点与(非递归)容许点之间
作为一个经典的例子,让我们考虑\((2~1-)^\omega2\)
对极限序数的经典处理方法让我们想到\(\sup(2~1-)^n2\)
然而由于其是一个满足反射性质的集合,更为本质的处理方法则是取交集\(\cap(2~1-)^n2\)
我们记第一种为\(pseudo.\),\(psd.\)或者\(p.\),伪序数;而第二种为\(real.\)或者\(r.\),真序数
为什么?从定义的角度出发,我们认为第二种是真序数,那么第一种的区别在于哪里呢?
我不知道,先咕着
直接说结论:参考这个
定理:
从而可以记\(r.(2~1-)^\omega2=(2~1-)^{\omega+1}2\),这也是许多证明论序数下标+1的根本原因
\(\Pi_2\)反射与\(M\)的引入
我们先来把上面的\(\varphi\)扩展好
\[(2~1-)^{(1,0)}2=I(I(...,0),0)=psd.I(1,0,0)\\ (2~1-)^22~aft~(2~1-)^{(1,0)}2=I(1,psd.I(1,0,0)+1)\\ (2~1-)^\omega2~aft~(2~1-)^{(1,0)}2=I(\omega,psd.I(1,0,0)+1)\\ (2~1-)^{(1,0)}2~aft~(2~1-)^{(1,0)}2=I(I(...,psd.I(1,0,0)+1),psd.I(1,0,0)+1)\\ =2nd~(2~1-)^{(1,0)}2 \]注意到\(\alpha th~(2~1-)^{(1,0)}2\)同样是满足不动点性质的,因此取其容许即得
\[2~1-(2~1-)^{(1,0)}2=(2~1-)^{(1,1)}2=real.I(1,0,0) \]仿照\(\varphi\)模式,可以到达\(I(1@\omega),I((1,0))\)等等,这里略去
再往上,在OCF时我们引入了\(\Omega\),这里我们则需要引入递归马洛序数(recrussive Mahlo ordinal)\(M\)来继续攀爬
我们终于迎来了\(\Pi_2\)反射
记\(M=2-2\)
然后我们稍微枚举一下
然后是\(M\)的容许点\(\alpha\rightarrow M_\alpha\),进一步的模仿\(\varphi\)模式和\(I\)
\[2~1-2-2=M(1,0)\\ (2~1-)^{(1,1)}=r.M(1,0,0)\\ \]同样的,从\((1-)\)不动点到\((2~1-)\)容许点,fix point的层级进一步提高,我们引入\(2-2\cap1-\)不动点,真正的进入\(M\)函数
注意分号和逗号标示两个层级的fix point
然后我们引入nonconvertible ordinal \(N=2-2-2\),fix point的层级也提升到\(2-2-2\cap1-\)
之后在\(N\)函数里引入三层分隔符便可形成同样的行为
之后我们依然可以引入\(2-2-2-2\)乃至更多层的反射序数
\(2-X\)会折叠掉\((X~1-)^nX\)
更一般的,通过类似PrSS的方法可以展开序数,其正确性猜想和反射序数的树状结构有关
先将其倒过来,然后如果可以展开则不补,否则在开头补最小的数字,展开,然后倒回来,把\(\cap,-\)补上
例子:
最后,\(\Pi_2\)的极限\((2-)^\omega\),也存在真伪序数,其细节可参考这个
\(\Pi_3\)反射及其后
反射模式的两个重点复杂层级和真伪序数在\(\Pi_2\)中都已体现,在更高级的反射中没有新的现象
称\(\Pi_3=K\)为递归弱紧致序数(recrussive weak compact cardinal)
这里也是曾经Rathjen所分析的前沿地带\(\psi(\epsilon_{K+1})\)
反射序数枚举表,仅供参考
在其上有着\(psd.\Pi_\omega\)和\(real.\Pi_\omega\),固然可以继续套不动点,但反射序数还是就告一段落吧
之后我们需要进入数理逻辑的更深层,开始接触稳定序数,抵达真正的前沿