在论证序数(Ordinals)与良序集(Well Ordered Sets)同构(isomorphic)前,需要引入一些新的概念,以便后续的论证。
一、集合类(Class)
为了方便描述多个集合组成的结构(a collection of set),同时又为了避免集合的集合产生的逻辑上的冲突,因此,引入了一个类似于集合(Sets)的概念,称之为集合类,简称类(Class)。一个集合类由集合作为其元素而构成,其定义与集合一样(the same),唯一的区别是,集合类不是集合(Class is not set),以此避免,致命循环(vicious cycle)的存在。
二、对于,偏序集合(X,<)有
1. 最大元素(Maximum Element)
∃a∈X.( ∀x∈X.( a ≮ x))
2.最小元素(Minimum Element)
∃a∈X.( ∀x∈X.( x≮ a ))
3. 最顶元素(Greatest Element)
∃a∈X.( ∀x∈X.( x ≤ a))
4. 最底元素(Least Element)
∃a∈X.( ∀x∈X.( a ≤ x))
注:这里最大元素与最顶元素,看起来定义一样,只是换了个说法。但是,对于偏序集合来说,这两者是不一样的,因为有可能存在两个元素是不能比较的。那么当 元素 a、b不能比较时,那么最大元素是允许存在的。
即 a ≮ x,意思是,a 不小于 x,当两者不能比较时,也属于 a 不小于 x。
但是,对于x ≤ a,意思是,a 大于等于 x,如果两个不能比较时,则 a 并没有大于等于x。
(X,<)是线序的话,那么最大与最顶的概念是一样的,因为任意两元素a、b,两者的关系只包括,a = b, a < b,或 b < a 三种。那么,a ≮ x 意味着 x ≤ a 。对于偏序来说,a ≮ x 意味着 x < a 或 a 、x无法比较。
5. 上界(Upper Bound)
∃a.( ∀x∈X.( x ≤ a))
6. 下界(Lower Bound)
∃a.( ∀x∈X.( a ≤ x))
注:此时 a 并不一定在集合X里。
7. 最小上界(Supremum / Least Upper Element)
∃a∈X.( ∀x∈X.( x ≤ a) )
8. 最大下界(Infimum / Greatest Lower Element)
∃a∈X.( ∀x∈X.( a ≤ x) )
三、证明
1. 给定序数集的集合类(Class)C,那么 ⋂ C 也是序数,⋂ C ∈ C, 以及 ⋂ C = inf C。
证:
假设 序数 A、B ∈ C,那么 A ⋂ B ⊂ A。
又因 A 为序数,其元素 a ∈ A 且 a ⊂ A,因此,有 A ⋂ B ∈ A。
所以,A ⋂ B 为序数,同理可证 ⋂ C 为序数。
那么,因 ⋂ C ⊂ C,有 ⋂ C ∈ C,且 ⋂ C = inf C,即 ⋂ C 是 C的最大下界。
2. 给定序数集的集合类(Class)C,那么 ∪ C 也是序数,∪ C ∈ C, 以及 ∪ C = sup C。
证:同上可证。
3. 给定任意集合 a, 那么 a ∪ {a} 是一个序数,以及 a ∪ {a} = inf { b: b > a }。
证:
回顾作为序数的条件是:使 S = a ∪ {a},
1. 序数的传递性(Transitivity),即 ∀a∈S. (a ⊂ S)。
2. 从属关系(∈)上的良序性(Well-Orderedness)。
另,良序性也包括四个条件,其中,前二为偏序的要求,前三为线序的要求,
2.1. 非自反性(non-reflexivity):∀s∈S.( s !∈ s )
2.2. 良序的传递性(transitivity):∀p,q,r∈S.(p∈q ∧ q ∈ r → p ∈ r)
2.3. 可比性(Comparability):∀p,q∈S.(p ∈ q ∨ p = q ∨ q ∈ p)
2.4. 任意子集都具备最小元素:∀s∈P(S).∃a∈s.∀x∈s.(a ∈ x ∨ a = x)
因此,a ∪ {a} 是一个序数。
另需证 a ∪ {a} 是集合 { b: b > a } 的最大下界。即
∃c∈X.( ∀x∈X.( c ≤ x) ),
这里,X = { b: b > a },c = a ∪ {a}。
因 a ∪ {a}为序数,a ∈ a ∪ {a},那么 a 是序数,即集合 { b: b > a } 包括了所有大于序数a的序数,而其中最小的序数为 a ∪ {a}。这个可由序数的构成来证明。
四、序数与良序同构(isomorphic)定理
即,每个良序集(Well ordered set)都与唯一一个序数集(Ordinal)同构(isomorphic)。
证:
这里先回顾一下相关概念,良序与序数的概念如下,即序数是良序上增加了序数的传递性。
1. 序数的传递性(Transitivity),即 ∀a∈S. (a ⊂ S)。
2. 从属关系(∈)上的良序性(Well-Orderedness)。
另,良序性也包括四个条件,其中,前二为偏序的要求,前三为线序的要求,
2.1. 非自反性(non-reflexivity):∀s∈S.( s !∈ s )
2.2. 良序的传递性(transitivity):∀p,q,r∈S.(p∈q ∧ q ∈ r → p ∈ r)
2.3. 可比性(Comparability):∀p,q∈S.(p ∈ q ∨ p = q ∨ q ∈ p)
2.4. 任意子集都具备最小元素:∀s∈P(S).∃a∈s.∀x∈s.(a ∈ x ∨ a = x)
另外,同构,就是给定两个集合A、B,存在一个函数 f: A → B,及其反函数 f ⁻¹: B → A,都是一一对应函数,且保持元素间的关系(Order preserving),那么两集合同构。
回到该定理的证明,首先是给定任意一个具备良序的集合A,需要证明存在唯一一个序数B,与之同构。
良序与序数的同构性(Isomorphism)可根据其定义证明出,即同构性主要考虑的是元素的一一对应及元素间的关系保留,因此,两者定义给出对应的证明。
唯一性(Uniqueness)则是,如果存在两个序数B、C 与 A 同构,那么,B 与 C 亦同构,同时,由于 B 与 C同为序数,那么存在 B ⊂ C 或 C ⊂ B,又因两者同构,那么有 B = C,即唯一性可证。
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