直观感受(Intuition)及核心理念(Core Idea)
阿列夫数(Alephs)主要是为了衡量良序(well-ordered)的无限集(infinite set)与超限集(transfinite set)的大小(无限集中含有无限个元素,而超限集包含无限个元素,且其中有无限集作为其元素),例如自然数集合大小为第一个阿列夫数,记,aleph zero,ℵ₀。
当,把所有基数(Cardinas)看作是一个集合的时候,称为基数集(Cardinals),该集合的元素关系不仅满足了基于 小于关系(<)的线序,同时可以基于归纳(induction)的方式生成。也就是说,基数集是良序的。
核心理念形式化(Formalization)
一个序数(Ordinal) a,如果 其基数 |a| 不等于 所有小于 a 序数 的基数,那么,该序数 a 称为 基数(Cardinal),即
a ∈ Ordinals ∧ (∀b<a.(|a| ≠ |b|)) → a ∈ Cardinals
这里,可以看出,并非所有序数都是基数;如果通过序数来代表基数的话,那么基数是序数的一个子集。
当集合A是一个良序集(Well-Ordered Set)时,存在一个序数 a,使得 |A| = |a|。那么,就可以把 集合A的基数 |A| 定义为使得 |A| = |a|的最小的序数 a。记,
|A| = |a| = a,a ∈ Ordinals
那么,就有,所有的自然数 n 是基数(cardinal),也称有限基数(finite cardinal)。即,任一有限集 S,其基数 |S| 等于某一自然数 n,记
finite(s) → |S| = n, n ∈ ℕ
同时,有,序数 ℕ 是最小的无限基数(the least infinite cardinal)。此处的最小,可以看出,无限集之间也有大小关系。那么这里需要证明的是,自然数集ℕ是最小的无限集。这里,可以从ℕ的定义出发,得到其证明,即, ℕ = sup { n: n < ℕ },即,ℕ 是所有有限集的最小上界,不存在比 ℕ 小,而包括所有有限集的集合。
另外,所有无限基数(infinite cardinals)是极限序数(limit ordinals),即不通过 “+1” 步进规则得到的序数(not a successor)。
当无限序数(infinite ordinals)是基数(cardinals)时,称之为,阿列夫数(Alephs)。如,ℕ是第一个阿列夫数(Alephs),记,aleph zero,ℵ₀。即,ℕ = ℵ₀ 。因为,序数 ℕ 是最小的无限基数(the least infinite cardinal)。
这里,无限基数是用于描述无限集大小的基数,那么,阿列夫数(Alephs)就是所有无限基数的集合。
基数的基本属性
这里,先定义基数的后继者(successor),为,给定任一基数 a,其最小且大于 a的基数 为其基数性后继者(cardinal successor),记 a⁺,即
a⁺ = min { b ∈ Cardinals: a < b}
这里,需要注意的是,a < b,是指 |a| = a < |b| = b,即,存在单射且非一一对应的函数 f: a → b。
1. 对于任一基数 a,存在一个比 a 大的基数。
证:
对于任一集合S,有最小序数(least ordinal) a,使得不存在单射函数 f: a → S。考虑一下,如果存在单射 f: a → S,那么,|a| ≤ |S|。而,当 |a| > |S| 时,就不可能存在单射函数 f: a → S。那么,其中就最小的序数就是要找的序数,记为 h(S) = min {a: |a| > |S|},即,所有大于集合S基数的最小基数。
此时,我们要证明 h(S) 的存在。
因为,集合S中存在的良序子集是一个集合,那么,每个良序子集 S' 对应一个序数 a'。即,存在一一对应(one on one)函数 f': a' → S'。因此,那些对应的所有的序数 a' 也是一个集合。该序数集 {a' } 的最小上界也是序数。因此,存在一个序数,大于集合S中的所有子集,那么该序数对应的基数,大于集合S的基数。即,h(S)存在。
2. 如果 集合 S 是基数集(Cardinals),那么 sup S,也是 基数(Cardinal)。
证:
令 a = sup S,即 a = sup { x ∈ S, x < a }。在基数的定义,即,
a ∈ Ordinals ∧ (∀b < a.(|a| ≠ |b|)) → a = |a| ∈ Cardinals
那么,要证明,a 是基数,需要证明 a 是序数,且 不等于所有小于 a 的序数的基数 。
基于,a = sup { x ∈ S, x < a },而 x 又是基数,即 x 是 序数,那么一些序数组成的集合的最小上界,也是序数,即 a 是序数。
另还需,证明 ∀b < a.(|a| ≠ |b|)。
假设,存在一个 b ∈ S, 有 |a| = |b|,即存在一个一一对应(one on one)的函数 f: a → b,
即假设,b < a 且 |a| = |b|。
即假设存在一个,在 基数(Cardinals)维度上,与|a|相等的基数|b|;但 序数(Ordinals)维度上,b < a。
那么,就有,在集合 S 中,存在一个基数 |c|,在序数维度上,有 b < c ≤ a。
又因,c ≤ a,c ⊂ a,且 f: a → b 是一一对应,那么 |c| = | { s: s < c } | = | { f(s) : s < c } | ≤ b。
因此,有 c ≤ b,与 b < c 矛盾,因此,不存在 b < a 且 |a| = |b|。
那么,可证 a = sup S 是基数(Cardinal)。
即,基数集的最小上界也是基数。
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