良序定理

良序定理

良序定理(Well-ordering Theorem)聲稱所有集合都可以被良序排序。在ZF公理集合論系統中,它與選擇公理和佐恩引理是等價的。

良序定理是選擇公理的等價形式之一。

定義


選擇公理的一種等價形式。該定理斷言:每一個集合可以被良序。早在1883年,德國數學家康托爾(Cantor,G.(F.P.))發明基數理論之時,他就提出了連續統的大小問題,並且假定全體實數的集合(連續統)可以被良序。由於這個良序時至今日仍未找到,所以康托爾的假定一直遭到強烈反對.1904年,德國數學家策梅洛(Zermelo,E.F.F.)給出了選擇公理的明確表達,並用之證明了每個集合是可被良序的。不久,又證明了良序定理與選擇公理是等價的。由良序定理可知,每一集合序同構於某個序數,又可基等價於某個基數,從而給人們帶來了極大的方便,例如,可以在任何集合上應用超窮歸納的證明方法
所有集合都是可良序的。集合論的重要定理之一。德國邏輯學家策梅羅(E.Zermelo)1904年首次證明。包括選擇公理在內的集合論公理,能證明良序定理;由除選擇公理以外的集合論公理,加上良序定理,也能證明選擇公理。
選擇公理的等價形式之一。其內容為:對任何集合S,存在S上的二元關係R,使得是良序集。它意味著:任何集合都可以良序化。德國數學家策梅羅於1904年提出了這一定理,並在選擇公理的基礎上給出了定理的證明。

基本概念


定義稱是良序的,若C的任何非空子集均有極小元;
稱是逆良序的,若C的任何非空子集均有極大元;
稱在中是相對良序完備的,若A的任一個良序集或逆良序集在中有上確界和下確界,若,則稱是良序完備的。

與選擇公理的關係


ZFC中的證明

良序定理是一條ZFC公理集合論系統中的定理。它可以由佐恩引理證明如下:
對任意集合S,為了證明存在S上的一個良序,令集合P為所有S的子集上的良序(嚴格來說,P的元素是S的子集和其上的良序關係組成的有序對)。對任意,定義當且僅當A是B的一個前段。構成一偏序集,且對這個偏序集的任意鏈,取其中所有良序的並,則得到這條鏈的一個上界。應用佐恩引理,得到P有一個極大元M。M必然是整個S的一個偏序,否則若x是不在M中的一個S的元素,把x接到M後面得到M',則且,與M的極大性矛盾。定理得證。

反推選擇公理

在ZF中,由良序定理可以簡單地證明選擇公理:
對任意由非空集合組成的集合A,取A的並集S,由良序定理,S是可以良序的。A中的任意集合X都是S的非空子集,故根據這個S的良序,可以選出一個最小元素x。這種選擇是滿足替換公理模式的條件的,故應用替換公理模式,即證明了選擇公理。
由此可見,在ZF中良序定理和選擇公理是等價的,故在有些ZFC公理系統的表示中,良序定理代替了選擇公理。

意義


良序定理是非常重要的,因為它確保所有集合適用超限歸納法的強力技術。
康托爾認為良序定理是“思維的基本原理”。但是多數數學家發現想象如實數集合R這樣的良序集合是困難的。在 1904年,Julius König聲稱已經證明了這種良序不能存在。幾周之後,費利克斯·豪斯多夫在他的證明中發現了一個錯誤。恩斯特·策梅洛接著引入了選擇公理作為證明良序定理的“不討厭的邏輯原理”。這揭示了良序定理等價於選擇公理,在它們中的一個和Zermelo-Fraenkel公理一起足夠證明另一個的意義上。
良序定理已經推出似乎是悖論的推論,比如巴拿赫-塔斯基悖論。