在公理化集合论 和使用它的逻辑 、数學 和计算机科学 分支中,分类公理模式 、或分离公理模式 、或受限概括公理模式 是 Zermelo-Fraenkel 集合论 中的一个公理模式 。它也叫做概括公理模式 ,尽管这个术语也用于下面讨论的无限制概括
假定 P 是不含符号 B 的一个單变量 谓词 。在 Zermelo-Fraenkel 公理的形式语言 中,这个公理模式读做:
∀ ∀ -->
A
,
∃ ∃ -->
B
,
∀ ∀ -->
x
:
x
∈ ∈ -->
B
⟺ ⟺ -->
x
∈ ∈ -->
A
∧ ∧ -->
P
(
x
)
{\displaystyle \forall A,\exists B,\forall x:x\in B\iff x\in A\land P(x)}
换句话说:
给定任何 集合 A ,有着 一个集合 B ,使得给定任何集合 x ,有 x 是 B 的成员当且仅当 x 是 A 的成员并且 P 对于 x 成立。注意对于所有这种谓词 P 都有一个公理,所以这是个公理模式 。
要理解这个公理模式,注意集合 B 必须是 A 的子集 。所以,这个公理模式实际上说的是,给定集合 A 和谓词 P ,我们可以找到 A 的子集 B ,它的成员正是那些满足 P 的 A 的成员。通过外延公理 可知这个集合是唯一的。我们通常使用集合建構式符号 把它指示为 {x ∈A : P (x )}。所以这个公理的本质是:
一个通过一个谓词定义的集合的任何子类 自身是一个集合。
分类公理模式是与 ZFC 集合论 有关的公理集合論系統的特征,但在根本上不同的可替代的集合论 系统中通常不出现。例如,新基礎集合論 和正集合论 使用对朴素集合论 的概括公理 的不同的限制。Vopenka 的可替代的集合论 有一个特殊要点,它允许集合的真子类的存在,這樣的真類 叫做半集合 。即使在与 ZFC 有关的系统中,这个公理模式有时也限制于带有有界量词 的公式,比如在KPU 中。
与替代公理模式的关系
分离公理模式几乎可以單从替代公理模式 推导出来。
首先,替代公理模式读做:
∀ ∀ -->
A
,
∃ ∃ -->
B
,
∀ ∀ -->
y
:
y
∈ ∈ -->
B
⟺ ⟺ -->
∃ ∃ -->
x
:
x
∈ ∈ -->
A
∧ ∧ -->
y
=
F
(
x
)
{\displaystyle \forall A,\exists B,\forall y:y\in B\iff \exists x:x\in A\land y=F(x)}
其中F 是不使用符号 A , B , x 或 y 的任何一个变量 的泛函谓词 。给定适用于分类公理的一个谓词 P ,定义映射 F 为:F (x ) = x 如果 P (x ) 为真,F (x ) = z 如果 P (x ) 为假,这里的 z 是 A 的使 P (z ) 为真的任何成员。那么替代公理所保证的集合 B 完全就是分类公理所要求的集合 B 。唯一的问题是这样的 z 有可能不存在。但是在这种情况下,分离公理所要求的集合 B 是个空集 ,所以分离公理可从替代公理和空集公理 共同得出。
为此,分离公理模式经常从现代 Zermelo-Fraenkel 公理列表中省略。但是出于历史的考虑,和同下面章节中的集合论的可替代的公理化的比较,它仍是重要的。
无限制概括
无限制的概括公理读做:
∃ ∃ -->
A
,
∀ ∀ -->
x
,
x
∈ ∈ -->
A
↔ ↔ -->
P
(
x
)
{\displaystyle \exists A,\forall x,x\in A\leftrightarrow P\left(x\right)}
就是说:
存在着一个集合 A ,它的成员正是满足谓词 P 的那些对象。同樣地,集合 A 也是唯一的,并通常指示为 {x : P (x )}。
在采纳严格公理化之前,这个公理模式默认的用在早年的朴素集合论 中。不幸的是,若然把P (x )替換成(x ∉x ),它就直接导致了罗素悖论 。所以,有用的集合论的公理化都不能包括无限制概括,至少不跟经典逻辑 一同被使用。
只接受分类公理模式是公理化集合论的开端。多数其他 Zermelo-Fraenkel 公理(不包括外延公理 或正规公理 )对充当对概括公理模式的额外替代是必须的;每个公理都声称一个特定集合存在,并通过给出它的成员必须满足的谓词来定义这个集合。
在 NBG 类理论中
在von Neumann-Bernays-Gödel 集合论 中,對集合和类 這兩者作出了区分。一个类 x 是集合,当且仅当它属于某个类 B 。在这个理论中,有一个定理 模式读做:
∃ ∃ -->
A
:
∀ ∀ -->
x
,
x
∈ ∈ -->
A
↔ ↔ -->
(
P
(
x
)
∧ ∧ -->
∃ ∃ -->
B
,
x
∈ ∈ -->
B
)
{\displaystyle \exists A:\forall x,x\in A\leftrightarrow \left(P\left(x\right)\land \exists B,x\in B\right)}
定义了
S
e
t
(
x
)
↔ ↔ -->
∃ ∃ -->
A
,
x
∈ ∈ -->
A
{\displaystyle Set(x)\leftrightarrow \exists A,x\in A}
之后,它可以简写为
∃ ∃ -->
A
:
∀ ∀ -->
x
,
x
∈ ∈ -->
A
↔ ↔ -->
(
P
(
x
)
∧ ∧ -->
S
e
t
(
x
)
)
{\displaystyle \exists A:\forall x,x\in A\leftrightarrow \left(P\left(x\right)\land Set(x)\right)}
就是说:
有一个类 A 使得任何类 x 是 A 的成员,当且仅当 x 是满足 P 的一个集合。这个定理模式自身是受限的概括,避免了罗素悖论,因为它要求 x 是一个集合。接着把集合自身的分类写为单一的公理:
∀ ∀ -->
A
,
∀ ∀ -->
x
,
(
∃ ∃ -->
B
,
x
∈ ∈ -->
B
)
→ → -->
∃ ∃ -->
y
,
(
∃ ∃ -->
B
,
y
∈ ∈ -->
B
)
∧ ∧ -->
∀ ∀ -->
z
,
z
∈ ∈ -->
y
↔ ↔ -->
(
z
∈ ∈ -->
x
∧ ∧ -->
z
∈ ∈ -->
A
)
{\displaystyle \forall A,\forall x,\left(\exists B,x\in B\right)\rightarrow \exists y,\left(\exists B,y\in B\right)\land \forall z,z\in y\leftrightarrow \left(z\in x\land z\in A\right)}
就是说:
给定任何类 A 和任何集合 x ,有一个集合 y ,它的成员完全是 x 和 A 二者共有的成员;
定义了
∀ ∀ -->
x
,
x
∈ ∈ -->
A
∩ ∩ -->
B
↔ ↔ -->
x
∈ ∈ -->
A
∧ ∧ -->
x
∈ ∈ -->
B
{\displaystyle \forall x,x\in A\cap B\leftrightarrow x\in A\land x\in B}
之后,它可以简写为:
∀ ∀ -->
A
,
∀ ∀ -->
x
,
S
e
t
(
x
)
→ → -->
∃ ∃ -->
y
,
S
e
t
(
y
)
∧ ∧ -->
y
=
x
∩ ∩ -->
A
{\displaystyle \forall A,\forall x,Set(x)\rightarrow \exists y,Set(y)\land y=x\cap A}
就是的说:
类 A 和集合 x 的交集 是一个集合 y 。
在这个公理中,谓词 P 被替代为可量化在其上的类 A 。
在二阶逻辑中
在二阶逻辑 中,我们可以在谓词上作量化,而概括公理模式成为简单的公理。这使用了同前面章节 NBG 公理一样的技巧,把谓词替代为一个类并接着量化于其上。
在蒯因的新基础中
在蒯因 所开创的新基础集合论 中,给定谓词的概括公理采用无限制形式,但是对可以用于这个模式的谓词自身是有限制的。谓词 (x ∉x ) 是禁止的,因为同一个符号 x 出现在成员关系符号的两端(因而有不同“相对类型”);因此避免了罗素悖论。
但是,把 P (x ) 替換为 (x = x ) 是允许的,我们可以形成所有集合的集合。详情请参见层化 。
參考文獻
Paul Halmos, Naive set theory . Princeton, NJ: D. Van Nostrand Company, 1960. Reprinted by Springer-Verlag, New York, 1974. ISBN 0-387-90092-6 (Springer-Verlag edition).
Jech, Thomas, 2003. Set Theory: The Third Millennium Edition, Revised and Expanded . Springer. ISBN 3-540-44085-2 .
Kunen, Kenneth, 1980. Set Theory: An Introduction to Independence Proofs . Elsevier. ISBN 0-444-86839-9 .