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定义Definition

Borel 层级

Borel hierarchy

按可数并与补集建立超限 Borel 层级,手算有理数、无限次出现及最终恒零事件的层级。

形式陈述 ​

设 X 是可度量拓扑空间。规定 Σ10(X) 为开集族,Π10(X) 为闭集族。对可数序数 1<α<ω1,用以下递推式规定各层;超限递归定理保证这份逐层构造的存在与唯一性:

Σα0(X)={⋃nAn:An∈Πβn0(X), 1≤βn<α},Πα0(X)={X∖A:A∈Σα0(X)},Δα0=Σα0∩Πα0.

粗体提醒这是允许任意集合参数的经典层级,不附带可计算性。所有可数层之并,恰好是开集生成的 Borel σ-代数。[1, §2]

第一批名称可直接读出:Σ20 是 Fσ(可数闭并),Π20 是 Gδ(可数开交)。极限层允许各项来自不同的较低层,不能只写“上一层”,因为极限序数没有紧邻的前驱。

直觉

一个 Borel 描述是一棵可数的操作树:叶子是开集,每个内部结点进行取补或可数并。层级记录需要多少轮这种操作。它衡量描述形式,不衡量集合的概率、基数或几何大小。

写出某一层的表达式只给出复杂度上界。同一个集合可能还有更短的描述;若要证明它恰好处于某层,需要另证它不属于更低的类。

例子与边界

有理数的两边不对称 ​

在实线上,Q=⋃q∈Q{q},故 Q∈Σ20。它不属于 Π20:若 Q=⋂nGn,每个 Gn 都因包含稠密的 Q 而稠密;再把各稠密开集 R∖{q} 加进同一可数交,Baire 范畴定理将给出非空交,但该交其实为空。因此无理数集属于 Π20∖Σ20。

从时序量词读出层级 ​

在 Cantor 空间中,设 En={x:x(n)=1},这是开闭柱集。无限多次出现 1 的集合为

I=⋂N⋃n≥NEn∈Π20.

其补集是最终恒零的序列:

F=⋃N⋂n≥N(2N∖En)∈Σ20.

F 可数且稠密,每个单点无处稠密。若 F 也是 Gδ,便可重复有理数的 Baire 论证得到矛盾。所以这次不仅得到上界,还证明 F∉Π20 与 I∉Σ20。

注意 I 的形式是“对每个截止位置,之后存在一次 1”,不能误读成“存在一个位置,此后全是 1”;交换量词会得到另一个事件。

严格性依赖空间 ​

在不可数 Polish 空间,层级在每个非零可数序数处都不塌缩。[1, Corollary 2.38] 证明通过通用集合及对角化,构造不在指定 Σ 层中的 Π 集。可是有限或可数离散空间中所有集合都开闭,第一层就已包含全部子集。不能脱离承载拓扑宣称每层都有新集合。

推论与应用

连续映射的原像保持每个 Borel 类:开集的原像开,原像又与补集、可数并交换,再作超限归纳即可。这是用连续编码比较集合复杂度的基础;连续像则未必仍 Borel,需转向解析集。

算术层级也按交替结构分层,但其对象是自然数集合,以可计算关系及数值量词给出有限层定义。Borel 层级则相对于拓扑从开集出发,允许任意开集参数并沿可数序数迭代。在自然数的离散拓扑中,每个子集都是开集,包括不可算术定义的子集;因此拓扑层级的低层不等于有效定义的低层。

参考资料
关系图谱15 个相邻概念 · 3 类关系

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