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自然数

来自Googology Wiki

自然数是指 0,1,2,3,⋯ 等数。1889 年,皮亚诺(Peano,1858-1932)提出皮亚诺公理,首次给出了自然数的严格定义。

皮亚诺理论

一阶语言的皮亚诺理论包含一个常元 0、一个一元函词 S、一个二元谓词 =、两条公理和一条公理模式。两条公理如下:

  • ∀n¬S(n)=0
  • ∀n∀m(S(n)=S(m)→n=m)

设 φ(n) 是含一个自由变元的公式,则下式是皮亚诺理论的公理:

  • φ(0)∧(∀n(φ(n)→φ(S(n))))→∀nφ(n)

这条公理模式称为归纳公理模式。

冯诺依曼的自然数模型

冯诺依曼在集合论中构造了皮亚诺理论的模型,其论域为 ω,赋值函数 ν 定义如下:

  • ν(0)=∅
  • ν(S(n))=ν(n)∪{ν(n)}
  • n=m⟷ν(n)=ν(m)

下面验证皮亚诺理论的公理:

  • 对任意 n,因为 ν(S(n))=ν(n)∪{ν(n)},所以 ν(n)∈ν(S(n)),进而 ν(S(n))≠∅,从而 S(n)≠0。
  • 对任意 n,m,若 S(n)=S(m) 则 ν(S(n))=ν(S(n))。
    根据定义,∀x(x∈ν(S(n))⟷x=ν(n)∨x∈ν(n)),∀x(x∈ν(S(m))⟷x=ν(m)∨x∈ν(m))。
    反证,设 n≠m 即 ν(n)≠ν(m)。
    因为 ν(n)∈ν(S(n)) 所以 ν(n)∈ν(S(m)),而 ν(n)≠ν(m) 所以只能 ν(n)∈ν(m)。
    同理 ν(m)∈ν(n)。这与正则公理矛盾,反证假设不成立,n=m。
  • 归纳公理模式:可以从 ω 的定义中直接看出。