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不可达基数的独立性

来自Googology Wiki

本篇文章在 ZFC+“对于任何基数,都存在一个其后的不可达基数”环境下工作,以证明“存在一个不可达基数”这个命题独立于 ZFC。

由 Tarski 给出的不可达基数公理,考虑第一个不可达基数 κ,则 VκZFC

引理

κ 是不可达基数,则 VκZFC

证明

外延公理:Vκ 的元素都是集合,所以它们自然满足。

配对公理:对于任意 a,bVκ,我们都可以找到 α 使得 a,bVα,则 {a,b}Vα+1V,所以自然满足。

分离公理模式:对于任意 aVκ,我们都可以得到它是某个 Vα+1的元素,则任意 za 都是 Vα 的元素,a 的任意子集应该都是 Vα+1 的元素,所以自然满足。

正则公理模式:考虑任意非空集 SVκ,以及任意 xS,因为 S 可以确定其中任意元素的 rank,所以取 S 中 rank 最低的元素 x(由于 Ord上存在一个良序,所以任意序数类的子类都有这个良序的最小元,rank 是序数,取全体 S 中元素的 rank 序数构成一个类即可),则不存在 yS 使得 yx,否则 y 的 rank 应该低于 x,矛盾,所以存在 xS 使得 xS为空,得以证明。

幂集公理:由前面可得任意 xVα(α<κ),任意 x 的子集都在 Vα 中,则 𝒫(x)Vα+1

并集公理:考虑任意 xVα(α<κ) 而言,它们的任意元素 u 都在某个 Vβ(β<α) 中,任意 u 的元素都在某个 Vγ(γ<β) 中,则 Vγ+1 中存在 x 的并集。

无穷公理:ωVκ 的元素。

替代公理模式:由 κ 是不可达得到 κ 是 Beth 不动点,则 κ=|Vκ|,则对于任意 XVα(α<κ),则对于任意映射 f:XA,AVκ,则 |A||X|<|Vκ|,所以存在某个 b 使得不存在 A 的元素属于 Vβ,则 AVβ 的元素,则 AVκ

选择公理:任意 a=annbVκ,则 aVc(c<κ),则存在某个 Vd(d<c) 包含的任意 an 的元素,则一定存在一个集合使得它是 {annb} 的子集,得证。

进一步可以得到 VκZFC+ 不存在不可达基数,考虑第二个不可达基数 y 则可以得到 VyZFC+ 存在一个不可达基数。

于是,得证:命题“存在一个不可达基数”独立于 ZFC。