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模型Model

一阶结构

First-order structure · Interpretation

为一阶语言中的常元、函数符号和关系符号指定集合上解释的数学结构。

形式陈述 ​

给定一阶语言 L,一个 L-结构 M 包含非空论域 M,并对签名中的每个非逻辑符号指定解释:

  • 常元 c 解释为元素 cM∈M。
  • n 元函数符号 f 解释为全函数 fM:Mn→M。
  • n 元关系符号 R 解释为有限元关系 RM⊆Mn。

若等号属于逻辑符号,它必须解释为论域上的真实相等关系。常元也可统一看成零元函数:M0 是只含空元组的单元素集合,从它到 M 的函数正好选出一个元素。

结构不为变量固定值;解释含变量的项与公式还需要变量赋值 s。结构也不必满足任何尚未指定的公理。“L-结构”只要求符号解释类型正确;“理论 T 的模型”才要求满足 T 的全部公理。

直觉

语言给出可使用的名字和输入位置,结构为这些位置填入具体对象、运算与关系。函数符号 + 本身不携带普通加法的规律;把它解释为别的二元全函数仍得到合法结构,只是可能不再满足交换律等公理。

同一个论域可以配上不同结构,同一个语言也可以在不同论域上解释。因此比较两份公式的真假前,既要确认符号解释,也要确认量词究竟遍历哪些对象。符号的字形相同,并不意味着其数学含义已经固定。

例子与边界

在一个有限结构中完整求值 ​

取语言 L={c,f,R},其中 c 是常元,f 是一元函数符号,R 是二元关系符号。令

M={0,1,2},cM=0,fM(a)=a+1(mod3),

并令 RM={(0,1),(1,2),(2,0)}。于是 f(f(c)) 的值是 2,R(f(c),f(f(c))) 为真,因为 (1,2) 在解释关系中。

句子 ∀xR(x,f(x)) 为真:依次取 x=0,1,2,得到关系中的三个有序对。句子 ∃xf(x)=x 为假,因为三个输出分别为 1,2,0,没有不动点。若把同一语言中的 f 改为恒等函数,这个存在句就变真,说明真假随结构而变。

代数语言与关系语言 ​

群语言使用常元 e、二元乘法和一元逆元;任何群都给出这种语言的结构,但任意解释这些符号并不自动得到群。环语言中的 0,1,+,⋅ 可解释为整数、有限域或矩阵环的相应运算;若采用含一元负号的签名,还须给出它的解释。它们共享形成规则,却可能满足不同句子。

图语言只需二元关系 E,但任意 E⊆M2 可能带自环且不对称。若要简单无向图,还要加上 ∀x¬E(x,x) 与 ∀x∀y(E(x,y)→E(y,x))。序语言的 < 同理:结构定义并不强制它真的满足序公理。

全函数与非空论域 ​

标准一阶函数解释必须处处有值且留在论域内。例如实数上的倒数在 0 无定义,不能原样解释一元函数符号;可改用二元关系表达 xy=1,或明确定义零点的额外取值并在公理中限制非零输入。

本页采用非空论域。若有常元,空论域本来就无法解释它;即使语言没有常元,允许空结构也会改变量词规律,例如 ∀xP(x) 可以空真而 ∃xP(x) 为假。因此允许空结构是一项语义约定的变化。

推论与应用

结构与赋值共同决定满足关系:先递归求项值,再判断关系成员资格,最后处理联结词和量词。句子没有自由变量,所以最终真值不依赖赋值。

一阶理论筛选满足特定公理的结构。子结构、同构、初等嵌入和超积则比较或构造结构:其中同构要同时保留全部符号解释,初等嵌入还要求保持任意一阶公式的真假。这些不同层次不能仅由论域集合之间的函数替代。

Ehrenfeucht–Fraïssé 博弈用有限轮选点比较两个结构:每轮只要求所选元组保持部分同构,却能精确刻画有界量词秩公式的真假一致。在纯序语言中,七点序和八点序虽不同构,应答者仍能赢三轮;差异是否可见,取决于允许的公式观察深度。

参考资料
  • Anand Pillay, Lecture Notes — Model Theory (Math 411), University of Notre Dame, 2002,§1,pp.1–3:单类与多类结构、函数关系解释、理论模型。
  • Jeremy Avigad, Robert Y. Lewis, Floris van Doorn, Logic and Proof, 在线版 3.18.4(访问于 2026),§§10.1–10.3:解释、项求值、量词与论域。
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