大基数

在集合論,大基數性質是超限基數可能具有的若干性質的統稱。顧名思義,有某種大基數性質的基數(大基數)一般都很「大」(例如,比滿足\alpha = \omega_\alpha的最小的\alpha更大,其中\omega_\alpha的意義見阿列夫數)。大基數的存在性不能用最常見的ZFC集合論公理系統證明,所以,若需要大基數才能證明某些結論,則可用所需的大基數來衡量該結論「超出」ZFC的程度。其如達納·斯科特所言,量化了「欲證更多,必先假設更多」。

常見大基數類別有不可达基数、、和可测基数等,其中可测基数和拉姆齊基数都比弱紧基数强,而若假定選擇公理,弱紧基数是不可达基数。

集合論界中有以下粗略約定:ZFC足以證明的結論敍述時不用列明前提「假設ZFC」,但若證明要求其他假設(例如存在某個大基數),則須列明。視乎哲學派別,或認為該約定僅是語言慣例,或認為其意義更重大(見研究動機和公理認受性一節)。

**'是斷言特定大基數存在的公理。例如,「存在3個不可達基數」便屬大基數公理。

許多集合論者相信現時考慮的大基數公理皆與ZFC相容。該些公理足以推出ZFC相容,因此ZFC(若相容)無法證明該些公理與ZFC相容,否則ZFC將證明自身的相容性,與哥德爾第二不完備定理矛盾。

並無準確定義何種性質為大基數性質,但列舉了若干較普遍接受的大基數性質。

部分定義
某個基數性質稱為大基數性質有個必要條件:未知ZFC能證明不存在具有該種性質的基數,且已證明若ZFC相容,則ZFC與「不存在該種基數」也相容(即已證明ZFC(若相容)不能證出該種基數存在)。

相容強度層級
值得注意,雖然稱找到不能比較相容強度的大基數公理,仍有許多自然的大基數公理按組成全序。換言之,對於大基數公理A_1和A_2,通常恰有以下三者之一:
#除非ZFC不相容,否則\mathsf{ZFC}+A_1相容當且僅當\mathsf{ZFC}+A_2相容;
#\mathsf{ZFC}+A_1證明\mathsf{ZFC}+A_2相容;
#\mathsf{ZFC}+A_2證明\mathsf{ZFC}+A_1相容。
此三者互斥,除非所提及的理論其實不相容。

情況1,稱A_1與A_2。情況2,稱A_1在相容意義下強於A_2(情況3則反之)。若A_2強於A_1,則即使由\mathsf{ZFC}+A_1+\mathsf{Cons}(\mathsf{ZFC}+A_1),也不能證明\mathsf{ZFC}+A_2相容(前提是\mathsf{ZFC}+A_1確實相容)。此為哥德爾第二不完備定理的推論。

由於未有大基數公理的準確定義(並有哈姆金斯的結果),以上觀察無法成為定理。此外,對一些A_1, A_2,仍未知三個情況何者為真。問:「是否有定理解釋,抑或是我們的目光比所以為的更單一?」同樣值得注意,許多組合命題恰與某個大基數等相容,而非介於兩個大基數的等相容強度之間。

等相容強度的順序,不必等於具有該性質的最小基數的大小順序。例如,的存在性,在相容意義下遠強於的存在性,但假設兩者皆存在,則首個巨大基數小於首個超緊基數。

研究動機和公理認受性
大基數可放在冯·诺伊曼全集V理解。冯·诺伊曼全集是將冪集運算(將某集合的所有子集組成集合)超限疊代而得。無大基數的模型經常可視為有大基數的模型的子模型。例如,若有不可達基數,則在首個不可達基數\kappa的高度將全集V截斷成V_\kappa,便是無不可達基數的全集。又設有可測基數\lambda,則疊代「可定義」冪集運算(而非完整的冪集運算),便得L,其不認為存在可測基數,即使L仍包含\lambda(作為序數)。

所以,一些集合論者認為,大基數公理「說明」正在考慮全部「應當」考慮的集合,而否定大基數公理,則「限制」只考慮一部分集合。更甚者,大基數公理的後果似乎可以找到一定規律(見麥迪〈相信公理之二〉)。因此,該些集合論者傾向認為,大基數公理是ZFC的較好的擴展,勝於其他較少明確動機的公理(如馬丁公理),也勝於他們直觀認為較不可能的公理(如)。此派中的實在論者視大基數定理為「真」。

當然上述觀點並不普遍。一些形式論者會斷言,標準集合論,按其定義,是研究ZFC有何後果。其未必反對研究其他系統有何後果,而僅覺得無理由偏好大基數公理。也有實在論者不以(即認為可存在之事皆存在)為接受大基數公理的合適動機,甚至相信大基數公理為假。此外,還有人指出,否定大基數公理並非「限制」,因為例如,雖然哥德爾可構全集L不認為存在可測基數,但L中也可以有傳遞集合模型認為存在可測基數。

參見
*首個不可數序數

  • ZFC系統無法確定的命題列表

參考資料
集合论公理

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