決定性公理
決定性公理
決定性公理(determinstic axiom)是集合論的一條重要公理,在現代描述集合論中無窮對策具有重要的作用。考慮二人對策:設M=0,1,…,m-1,參賽者Ⅰ和Ⅱ輪流在M中選取n個數,得到結果序列,設為〈p₁,q₁,p₂,q₂,…,pn,qn〉,稱為一個結局。一個結局的集合S被事先給出並且為Ⅰ和Ⅱ知道。最後,若〈p₁,p₂,…,qn〉∈S,則Ⅰ獲勝;否則〈p₁,p₂,…,qn〉∉ S,則Ⅱ獲勝,把這種對策記為GS,許多二人蔘賽的智力遊戲,如下棋,都能在適當地選擇M,n和S后,以這一抽象的形式被數學地表示,Ⅰ的一種必勝策略是指一規則:在Ⅰ的每一步,該規則可以根據雙方在此以前的取法告訴Ⅰ這一步該怎樣取,最終使Ⅰ獲勝,類似地,可定義Ⅱ的必勝策略,在n是有窮的情況下,容易證明Ⅰ或Ⅱ必然有一個必勝的策略,也就是說對策是決定的,但在n是無窮時,對策是否是決定的就不再是明顯的事實,決定性公理是:對於每個結局集S,GS是決定的,這裡S⊆〈p₁,q₁,p₂,q₂,…,pn,qn,…〉|pn,qn∈w 。
決定性公理是公理集合論用語。可添加到公理集合論ZF系統中去的一條公理,簡記為AD。其內容為:對於每一個集合,對策G(S)都是決定性的。其中的N是自然數集,是,G(S)是與集合S相關的二人對策,所謂二人對策G(S),是指:對局者甲和乙依次選取自然數:(甲選取乙選取),是一個函數,即,如果,則對局者甲勝,否則為對局者乙勝。如果甲(或乙)按照某種策略g取值一定能獲勝,則稱甲(或乙)有必勝策略,並稱對策G(S)是決定性的。決定性公理與選擇公理(簡記為AC)是彼此衝突的。可以證明,在公理集合論ZFC(即)系統中,決定性公理不成立。反之,如果把決定性公理添加到公理集合論ZF系統中去(記作),則有某些弱的選擇公理成立。例如,在系統中,實數的非空子集的每一個可數簇都有一選擇函數。
對 的每一個子集A,我們定義下面的遊戲:甲、乙二人對局,甲選取自然數a,乙選取自然數b,接著甲取數a,乙取數b,從而形成二無窮序列
甲
乙
若所得結果序列 在A中,則甲勝,否則乙勝。甲的策略σ為一函數,使得對任何n, ,乙的策略 也為一函數,使得對任何n, ,對甲(乙)來說是必勝策略,若甲(乙)運用它作遊戲時不管乙(甲)如何著法,他必勝。
遊戲稱為決定的,若甲、乙二人中有一人必有必勝策略。
決定性公理(Axiom of Determinateness)
AD:對每一個,遊戲是決定的;
決定性公理AD與選擇公理AC不相容。
定理 若所有實數集是良序的,則存在,使得是非決定的。
證明 設 為一無窮基數使得,運用超窮遞歸構造集合,使得
令,則A是非決定的。
因為策略數為 ,所以令 是所有策略的枚舉。設,假定對所有 已確定。
(1)若,則令;
(2)若,令,則
如下確定:若甲使用策略,而乙任意地以與甲遊戲,則共有 個不同的對局,以 表示其中任意一個對局。因,故存在 使得。由假定,已被良序。因此我們可選取有此性質的最小b,並且。同樣地,若乙使用策略,則存在a使得,這裡 表示已使用策略 而甲取 中的元與之遊戲的對局。這時選取這樣的最小a令。
令,則我們獲得遊戲,因為任意策略σ是 中的一個,由 的構造可知,甲、乙二人都無必勝策略。
決定性公理與弱選擇公理之一——可數選擇公理是相容的。
可數選擇公理(Countable Axiom of choice):非空集的每一個可數族有選擇函數。
定理 若決定性公理成立,則實數的任一個非空子集組成的可數族有選擇函數。
證明 設是 的非空子集組成的可數族,則X有選擇函數。事實上,若甲玩乙玩,甲沒有決勝策略,因為一旦甲取數以後,乙能容易地玩b使,乙玩,甲以與之對局,則結果序列 。可見乙有必勝策略,於是在X上定義函數f,使得是乙運用 策略時,對抗甲的的那個b 。