超限歸納法(英語:Transfinite Induction)是數學歸納法向(大)良序集合比如基數或序數的集合的擴展。
超限歸納
假設只要對於所有的 β < α,P(β) 為真,則 P(α) 也為真。那麼超限歸納告訴我們 P 對於所有序數為真。
就是說,如果 P(α) 為真只要 P(β) 對於所有 β < α 為真,則 P(α) 對於所有 α 為真。或者更實用的說:若要證明所有序數 α 都符合性質 P,你可以假定它對於所有更小的 β < α 已經是成立的。
通常證明被分為三種情況:
- 零情況: 證明 P(0) 為真。
- 後繼情況: 證明對於任何後繼序數 β+1, P(β+1) 得出自 P(β)(如果需要的話,也假定對於所有 α < β 有 P(α))。
- 極限情況: 證明對於任何極限序數 λ, P(λ) 得出自 [P(α) 對於所有 α < λ]。
留意,以上三種情況(證明方法)都是相同的,只是所考慮的序數類型不同。正式來說不用分開考慮它們,但在實踐時,因為它們的證明過程通常相差很大,所以需要分別表述。在一些情況下,「零情況」會被視為一種「極限情況」,因此可以使用極限序數來證明。
超限遞歸
超限遞歸是一種構造或定義某種對象的方法,它與超限歸納的概念密切相關。例如,可以定義以序數為下標的集合序列 Aα ,只要指定三個事項:
- A0 是什麼
- 如何確定 Aα+1 自 Aα(又或者是從A0到 Aα的部分)
- 對於極限序數 λ,如何確定 Aλ 自 Aα 的對於 α < λ 的序列。
更形式的說,我們陳述超限遞歸定理如下。給定函數類 G1, G2, G3,存在一個唯一的超限序列 F 帶有 dom(F) = ( 是所有序數的真類),使得
- F(0) = G1()
- F() = G2(F()),對於所有
- F() = G3(F ),對於所有極限序數 。這裡的F 是指F 在 上的限制。
注意我們要求 G1, G2, G3 的定義域足夠廣闊來使上述性質有意義。所以滿足這些性質的序列的唯一性可以使用超限歸納證明。
更一般的說,你可以在任何良基關係 R 上通過超限遞歸定義對象。(R 甚至不需要是集合;它可以是真類,只要它是類似集合的關係便可,也就是說:對於任何 x,使得 yRx 的所有 y 的搜集必定是集合。)
同選擇公理的聯繫
有一個常見的誤解是超限歸納法或超限遞歸法要求選擇公理。其實超限歸納可以應用於任何良序集合。但是常見的情況是使用選擇公理來良序排序一個集合,使其適用超限歸納法。