2.4. Аксиоматика теории множеств

Антиномии теории множеств

К началу ХХ века стройное здание теории множеств стало давать трещины. Привычные рассуждения перестали казаться безупречными ввиду обнаружившихся противоречий – антиномий теории множеств. Это привело к пересмотру основных концепций теории – содержания самого понятия множества, принципов формирования множеств и т.д. Попытки разрешить противоречия стимулировали развитие аксиоматической теории множеств. Приведём примеры теоретико-множественных антиномий.

Антиномия Рассела. Если – некоторое множество, то, как правило, т.е. не содержит себя в качестве элемента. Однако, если, скажем, – множество всех множеств, то Обозначим через совокупность всех таких множеств что Содержит ли множество себя в качестве элемента? Если то для множества условие не соблюдается; значит, Если же то удовлетворяет условию значит, Итак, оба предположения, и приводят к противоречию.

В качестве одного из путей разрешения этого парадокса было предложено не считать способ формирования множества корректным. Такая точка зрения серьёзно различалась с представлениями “наивной” теории множеств, где считалось, что всякое чётко определённое правило позволяет сформировать множество. Вопрос о том, какие правила следует считать чётко определёнными, а какие нет, является трудным и не имеет к настоящему времени удовлетворительного ответа. Кроме того, следует, по-видимому, запретить множества удовлетворяющие соотношениям вида и т.д., а также убывающие цепочки вида

Антиномия “деревенский парикмахер” является вариантом парадокса Рассела. Предположим, что в некоторой деревне поселился парикмахер, который решил брить всех, кто не бреется сам. Должен ли он брить самого себя? Если да, то значит, он не бреется сам, поэтому он себя не бреет – противоречие. Если нет, то он сам не бреется, поэтому он должен себя брить, и мы опять получаем противоречие.

В этом парадоксе условие “брить всех, кто не бреется сам” является противоречивым, а потому невыполнимым. Природу этой внутренней противоречивости нельзя считать выясненной до конца. Ещё менее ясным кажется ответ на вопрос, какие условия являются противоречивыми, а какие нет.

Антиномия Кантора. Пусть – множество всех множеств, а – множество всех его подмножеств. Так как содержит все множества, то поэтому Однако, по теореме Кантора Противоречие.

В отличие от предыдущих антиномий, в которых участвовали лишь самые простейшие понятия теории множеств, в антиномии Кантора присутствуют более сложные понятия: множество всех подмножеств, отображение, взаимно однозначное соответствие. Этого парадокса можно избежать, если запретить использование “множества всех множеств”. В тех аксиоматических системах, где допускается класс всех множеств, теорема Кантора доказывается в более слабой форме.

Примером логического парадокса является парадокс лжеца.

Антиномия Эвбулида (или парадокс лжеца). Предположим, что некоторый субъект произносит фразу: “высказывание, которое я сейчас произношу, ложно”. Истинно это высказывание или ложно? Если оно истинно, то субъект сказал правду, а значит, это высказывание ложно. Если же оно ложно, то аналогичные рассуждения показывают, что оно истинно.

Один из путей выхода из создавшегося положения – признать, что не про всякое суждение можно сказать, истинно оно или ложно.

Преодолеть теоретико-множественные антиномии можно созданием строгой аксиоматической теории. Вопрос о непротиворечивости создаваемой аксиоматической теории, за редким исключением, является трудным и достаточно тонким (исключение, например, составляет исчисление высказываний, для которого вопрос о непротиворечивости был решён в предыдущей главе сравнительно просто). До сих пор в аксиоматике теории множеств Цермело – Френкеля, излагаемой ниже, противоречий обнаружено не было. Однако, это обстоятельство лишь придаёт нам уверенность в непротиворечивости теории, но не служит доказательством непротиворечивости. Часто непротиворечивость какой-либо теории выводят из непротиворечивости другой теории, вызывающей меньшее сомнение. Например, непротиворечивость геометрии Лобачевского (утверждающей, что через точку вне прямой можно провести более одной прямой, не пересекающей данную) может быть доказана, если принять в качестве факта непротиворечивость евклидовой геометрии. Аналогичным образом, из непротиворечивости теории множеств можно вывести непротиворечивость теории действительных чисел.

Аксиоматика Цермело – Френкеля

Неопределяемые понятия в аксиоматике Цермело – Френкеля – это понятия множества и отношения и =.

Аксиома экстенсиональности (объёмности)

Другими словами, если множества состоят из одних и тех же элементов, то они равны.

Определим подмножество: Обозначение будет использоваться как краткая форма записи высказывания Аналогично этому будет обозначать

Аксиома пустого множества

Определённое таким образом множество называется пустым множеством и обозначается С помощью аксиомы ZF можно доказать, что пустое множество единственно.

Аксиома неупорядоченной пары

Множество определённое данной аксиомой, называется неупорядоченной парой и обозначается Если то вместо мы пишем Упорядоченная пара определяется так: Аналогичным образом определяется тройка элементов: Нетрудно доказать, что

Пусть и – множества. Функцией (или отображением) называется множество упорядоченных пар где удовлетворяющее условиям:

Функция называется также семейством элементов, заиндексированных множеством (здесь – множество индексов, а элементы семейства принадлежат множеству В частности, отображение N (где N – множество натуральных чисел) можно назвать последовательностью элементов (элементы берутся из множества

Аксиома объединения

Здесь – множество, элементы которого являются элементами множеств, принадлежащих Если представить множество в виде то – объединение множеств, входящих в Допустима также запись Если то Пересечение определяется следующим образом:

Существование пересечения обосновывается аксиомой ZF Мы пишем или просто

Аксиома бесконечности

Эта аксиома утверждает существование хотя бы одного бесконечного множества.

Введём ещё одно обозначение ( – равенство по определению):

Очевидно, знак обозначает существует единственное.

Аксиомы подстановки

где

Эта аксиома утверждает, что если при фиксированных формула однозначно определяет как функцию от то для любого множества совокупность всех значений функции на элементах из также образует множество. Отметим, что ZF – это не одна аксиома, а бесконечная серия аксиом.

Аксиомы выделения

Это группа аксиом, позволяющих в любом множестве выделить подмножество, определяемое условием

Аксиома степени

Здесь постулируется существование множества всех подмножеств данного множества.

Аксиома выбора

Эта аксиома уже встречалась в разделе 2.2. Здесь мы её приведём в более сильной формулировке. Пусть – семейство множеств, занумерованных множеством и при всех Декартовым произведением называется отображение такое, что при всех Аксиома выбора утверждает, что если множество непусто и каждое непусто, то декартово произведение также непусто. Иными словами, в каждом множестве можно выбрать по одному элементу. Так как семейство множеств – это отображение то аксиому выбора можно записать так:

если то

Фраза “ является отображением ” расшифровывается так:

Если, пользуясь аксиомой расписать условие затем расписать и и, наконец, с помощью расписать равенства вида мы получим формулировку аксиомы выбора на языке логики предикатов.

Аксиома регулярности

Эта аксиома запрещает соотношения вида и т.д. Докажем, например, невозможность соотношения Пусть Так как то по аксиоме существует такое, что при всех Но тогда и Значит,

Аксиоматика Гёделя – Бернайса

Эту систему аксиом называют теорией классов. Основные неопределяемые понятия – множество и класс. Каждое множество является классом, но не всякий класс множеством. Классы мы будем обозначать большими буквами, а множества маленькими.

Аксиома

– множество).

Можно понятие “множество” исключить из списка неопределяемых понятий; тогда аксиома будет определением множества.

Аксиомы повторяют аксиомы и но уже для классов.

Аксиома подстановки

Аксиомы образования классов:

Аксиома выбора, аксиома регулярности –

формулируются так же, как

Система аксиом Гёделя – Бернайса, в отличие от системы Цермело – Френкеля, состоит из конечного числа аксиом. Доказано, что каждая теорема теории ZF является теоремой в GB и каждая теорема из GB, в которой говорится только о множествах, является теоремой в ZF. Аксиома выбора не зависит от других аксиом системы GB.

6