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1970 bewies er aus dem Axiom der Existenz einer messbaren Kardinalzahl, dass analytische Spiele determiniert sind[1]. 1975 bewies er die Determiniertheit von Borel-Spielen aus den Axiomen der ZFC (Zermelo-Fraenkel-Mengenlehre)[2] und 1989 projektive Determiniertheit aus Axiomen großer Kardinalzahlen mit John R. Steel[3].
Nach ihm ist Martins Axiom benannt[4], ein von den Axiomen der Zermelo-Fraenkel-Mengenlehre (ZFC) unabhängiges, aber mit diesen konsistentes Axiom, das Folge der Kontinuumshypothese ist, aber auch konsistent mit ZFC und der Negation der Kontinuumshypothese ist. Es hat vielfältige Anwendungen auch außerhalb der Mengenlehre.
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für den Beweis, dass aus der Existenz einer superkompakten Kardinalzahl die Gültigkeit des Determiniertheitsaxioms im kleinsten transitiven Modell der Zermelo-Fraenkel-Mengenlehre, das die reellen Zahlen und alle Ordinalzahlen umfasst, folgt.