形式陈述
若一个序数公理库序数Ordinal由属于关系良序且具有传递性的集合,表征良序的同构类型。不与任何更小序数等势,就称它为初始序数。每个可良序集合都与唯一的初始序数等势;阿列夫层级按序数下标枚举所有无限初始序数:
这里 是严格大于 的最小良序基数,称为后继基数。后继步骤不会卡住:Hartogs 定理对任意集合 构造一个不能单射进 的序数,因此总存在比 更大的良序基数。极限步骤则取此前所有初始序数的上确界。
在 ZF 中,每个无限可良序基数都唯一等于某个 ,并且
良序定理公理库良序定理Well-ordering theorem · Zermelo's theorem每个集合都能赋予一个使任意非空子集具有最小元的全序。与选择公理等价;采用它以后,每个集合都可良序化,所以所有无限基数公理库基数Cardinality · Size of a set忽略元素性质与排列,只用双射和单射刻画集合的大小及其比较。都进入阿列夫层级。记号 强调第 个无限初始序数的序型, 强调它的基数;标准实现中二者由同一个初始序数承载,关注的结构却不同。
直觉
同一个无限大小常有许多不同序型:、 与 都可数。初始序数从每个等势类中挑出最小序数,避免重复记账;阿列夫下标再回答“这是第几个可良序无限大小”。
递归有两种前进节奏。后继阶段跳到下一个严格更大的基数;极限阶段没有“前一项”,便把此前全部台阶收拢为上确界。得到的是严格递增的良序坐标轴,不是对若干著名无限集合的零散命名。
例子与边界
层级起点 是可数无限集的基数。下一层 是最小不可数基数;相应序数 恰由全体可数序数组成。每个 都可数,但 本身不可数,否则它会出现在自己所收集的可数序数范围内。
第一个极限下标给出
它大于每个 ,却不是任何有限次后继步骤的结果。序列 在其中共尾,所以 是奇异基数的标准例子。
下标后继不能和基数加一混淆:
左式移到下一基数,右式只给一个无限集合添一个元素。另一条边界来自选择公理公理库选择公理Axiom of choice · AC把任意集合族中逐个存在的元素同时汇成一个选择函数的公理。:阿列夫递归在 ZF 中照常存在,但不可良序化集合的基数不等于任何阿列夫,也可能无法与某些阿列夫比较。此时 甚至未必能写成 。
推论与应用
阿列夫层级给无限基数问题提供统一坐标。连续统假设公理库连续统假设Continuum hypothesis · CH断言连续统恰为最小不可数基数、且相对于 ZFC 独立的集合论命题。问 是否恰落在 ;广义连续统假设把同一问题放到每个 上。基数算术公理库基数算术Cardinal arithmetic用不交并、笛卡尔积和函数集定义基数的加法、乘法与指数运算。则研究加、乘和幂如何沿层级移动。
共尾数进一步区分层级中的台阶。在 ZFC 中,后继基数 为正规基数,而 的共尾数是 ,所以它是奇异基数。模型论也用 报告语言与模型大小;这时阿列夫是规模刻度,序数算术公理库序数算术Ordinal arithmetic通过超限递归定义的序数加法、乘法与幂运算,通常不满足交换律。仍负责记录良序过程本身。
参考资料
- Herbert B. Enderton, Elements of Set Theory, Academic Press, 1977, Chapter 7。
- Thomas Jech, Set Theory, 3rd millennium ed., Springer, 2003, Chapter 5。
- Kenneth Kunen, Set Theory, College Publications, 2011, Chapter I。