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可构造层级

Constructible hierarchy · L hierarchy

在每个后继序数阶段只加入前一层上可一阶定义的子集所形成的层级。

条目类型
定义

形式陈述

对任意集合 A,令 Def(A) 为结构 (A,) 上带 A 中参数可一阶定义的全部子集:

Def(A)={{xA:(A,)φ(x,a1,,an)}:φ 为公式, aiA}.

这里的可定义性通过集合大小结构上的满足关系表达;允许有限多个来自 A 的参数。可构造层级沿序数递归定义为

L0=,Lα+1=Def(Lα),Lλ=β<λLβ

λ 为极限序数)。它与累积层级使用同一序数骨架,但把后继步骤的完整幂集 P(Vα) 换成可定义子集族。

由超限归纳,每个 Lα 是传递集,αβLαLβ,且 LαVα。每个序数 α 在不迟于 Lα+1 的阶段出现。一个集合若属于某个 Lα,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

Vα+1 把上一层的一切子集无差别收入,Lα+1 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 (Lα,) 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 Lα 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。L1={}。若 Ln=VnVn 有限,那么 Vn 的每个子集都可用参数逐项列出,因此

Ln+1=Def(Ln)=P(Vn)=Vn+1.

于是 Lω=Vω,二者都收集全部遗传有限集。分歧在下一步显现:Lω 外部可数,只有可数多个公式与有限参数组,所以 Lω+1 外部仍可数;而 Vω+1=P(Vω) 由 Cantor 定理不可数。因此在通常外部宇宙中,Lω+1 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 L。反过来,允许来自外部 V 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 Lα

Def(Lα) 并不是“Lα 中所有可定义元素”的集合,而是 Lα 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 L。层级的传递性和定义方式使 L 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 L 的可定义全局良序,进而在 L 内证明选择公理。

凝聚引理揭示该层级的自相似:适当的 Lα 初等子结构经 Mostowski 坍缩后是某个更早的 Lβ。这既是证明 LGCH 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 LβLα,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 V=L 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 Lα 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 Lα and definability。
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