超限归纳法

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超限归纳法(英语:Transfinite Induction)是数学归纳法向(大)良序集合比如基数序数的集合的扩展。

超限归纳

假设只要对于所有的 β < α,P(β) 为真,则 P(α) 也为真。那么超限归纳告诉我们 P 对于所有序数为真。

就是说,如果 P(α) 为真只要 P(β) 对于所有 β < α 为真,则 P(α) 对于所有 α 为真。或者更实用的说:若要证明所有序数 α 都符合性质 P,你可以假定它对于所有更小的 β < α 已经是成立的。

通常证明被分为三种情况:

  • 零情况: 证明 P(0) 为真。
  • 后继情况: 证明对于任何后继序数 β+1, P(β+1) 得出自 P(β)(如果需要的话,也假定对于所有 α < β 有 P(α))。
  • 极限情况: 证明对于任何极限序数 λ, P(λ) 得出自 [P(α) 对于所有 α < λ]。

留意,以上三种情况(证明方法)都是相同的,只是所考虑的序数类型不同。正式来说不用分开考虑它们,但在实践时,因为它们的证明过程通常相差很大,所以需要分别表述。在一些情况下,“零情况”会被视为一种“极限情况”,因此可以使用极限序数来证明。

超限递归

超限递归是一种构造或定义某种对象的方法,它与超限归纳的概念密切相关。例如,可以定义以序数为下标的集合序列 Aα ,只要指定三个事项:

  • A0 是什么
  • 如何确定 Aα+1Aα(又或者是从A0Aα的部分)
  • 对于极限序数 λ,如何确定 AλAα 的对于 α < λ 的序列。

更形式的说,我们陈述超限递归定理如下。给定函数类 G1, G2, G3,存在一个唯一的超限序列 F 带有 dom(F) = 是所有序数的真类),使得

  • F(0) = G1()
  • F() = G2(F()),对于所有
  • F() = G3(F ),对于所有极限序数 。这里的F 是指F上的限制。

注意我们要求 G1, G2, G3 的定义域足够广阔来使上述性质有意义。所以满足这些性质的序列的唯一性可以使用超限归纳证明。

更一般的说,你可以在任何良基关系 R 上通过超限递归定义对象。(R 甚至不需要是集合;它可以是真类,只要它是类似集合的关系便可,也就是说:对于任何 x,使得 yRx 的所有 y 的搜集必定是集合。)

同选择公理的联系

有一个常见的误解是超限归纳法或超限递归法要求选择公理。其实超限归纳可以应用于任何良序集合。但是常见的情况是使用选择公理来良序排序一个集合,使其适用超限归纳法。

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