形式陈述
对任意集合 ,令 为结构 上带 中参数可一阶定义的全部子集:
这里的可定义性通过集合大小结构上的满足关系公理库满足关系Satisfaction relation · Tarski semantics用对公式构造的递归定义刻画结构与赋值何时满足一阶公式。表达;允许有限多个来自 的参数。可构造层级沿序数递归定义为
( 为极限序数)。它与累积层级公理库累积层级Cumulative hierarchy · von Neumann hierarchy · V hierarchy沿序数阶段反复取幂集并在极限阶段取并,组织全部良基集合的层级。使用同一序数骨架,但把后继步骤的完整幂集 换成可定义子集族。
由超限归纳,每个 是传递集, 时 ,且 。每个序数 在不迟于 的阶段出现。一个集合若属于某个 ,称为可构造的;它首次出现的最小阶段有时称为其可构造秩,不能与普通集合秩混淆。
直觉
把上一层的一切子集无差别收入, 则只收入能用上一层结构、一个有限公式和有限参数明确描述的子集。前者回答“幂集公理允许什么存在”,后者回答“从已经出现的材料能够规范地定义什么”。
定义必须在 内部计算。一个子集可能在外部宇宙中有简短描述,却不能由 内部的参数和真值关系定义;反过来,同一公式在不同层级上的量词范围不同,也可能切出不同子集。可构造性因此不是日常语言中的“能够想象或写出”,而是一套严格的相对可定义递归。
例子与边界
有限阶段可完全追踪。。若 且 有限,那么 的每个子集都可用参数逐项列出,因此
于是 ,二者都收集全部遗传有限集。分歧在下一步显现: 外部可数,只有可数多个公式与有限参数组,所以 外部仍可数;而 由 Cantor 定理不可数。因此在通常外部宇宙中, 只是完整幂集的一小部分。
参数条件不能随手删掉。若只允许无参数定义,甚至有限集合的许多单点或特定子集也可能无法在正确阶段出现,得到的层级不再是标准 。反过来,允许来自外部 的任意参数又会把本应尚未进入层级的信息偷渡进来。参数必须恰来自当前 。
并不是“ 中所有可定义元素”的集合,而是 的可定义子集。它们在下一层作为新元素出现。公式的编码、参数元组和满足关系都必须在 ZF 中统一处理;Tarski 不可定义性禁止一个足够强结构内部拥有自身完整真理谓词,却不妨碍外部对每个集合大小结构定义满足关系。
推论与应用
取全部阶段的类并得到可构造宇宙 。层级的传递性和定义方式使 对许多低复杂度公式具有绝对性,也让每个可构造集合携带“最早出现阶段、定义公式、参数”的规范代码。按这些代码排序可建立 的可定义全局良序,进而在 内证明选择公理。
凝聚引理揭示该层级的自相似:适当的 初等子结构经 Mostowski 坍缩后是某个更早的 。这既是证明 的核心工具,也是可构造性精细结构的起点。此结论远强于单纯的 ,需要初等性与坍缩假设,不能从递归式直接读出。
层级提供内模型方法的一条规范路线,却不声称外部宇宙所有集合都可构造。命题 是额外的集合论公理;在包含非可构造实数的力迫扩张中,所有 仍照常存在,但它们的并严格小于整个新宇宙。
参考资料
- Thomas Jech, Set Theory, 3rd millennium ed., Springer, 2003, Chapter 13, Constructible Sets。
- Kenneth Kunen, Set Theory, College Publications, 2011, Chapter III, The Constructible Hierarchy。
- Keith J. Devlin, Constructibility, Springer, 1984, Chapter II, the hierarchy and definability。