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内模型

Inner model

位于背景宇宙内部、包含全部序数并以真实成员关系满足集合论的传递真类模型。

条目类型
模型

形式陈述

在背景集合论宇宙 V 中,真类 N 称为 ZF 的内模型,若:

  1. N 传递,即 xyN 推出 xN
  2. N 包含全部序数,即 OrdN
  3. (N,)ZF,其中成员关系是外部真实 的限制。

N 还满足选择公理,就称为 ZFC 的内模型。这里“内”表示 N 的对象已经是 V 中的集合;“模型”仍要求逐项满足公理。内模型是传递模型的真类、全序数版本。严格术语下,集合大小的传递模型不含全部外部序数,因而不称为 V 的内模型。

最基本的具体实现是可构造宇宙 L。另一个常见例子是遗传序数可定义类 HOD:一个集合属于 HOD,当且仅当其传递闭包中的每个对象都可由序数参数定义;ZF 证明 HOD 是 ZFC 的内模型。

直觉

内模型与外部宇宙共享同一条序数时间轴和同一种成员关系,却只保留部分集合。它像一座贯穿所有楼层的窄塔:高度没有缩短,每层可住的对象变少。由此可以比较“加入或删去某类集合”会怎样改变选择、连续统、组合原则与大基数性质。

共享序数十分关键。若只取某个 Vα,高度在 α 截断,许多差异可能只是因为后续序数不存在;内模型则排除这种伪差异,把关注点集中在每个高度上拥有哪些子集。它因此是相对一致性和独立性证明的标准比较对象。

例子与边界

L 是最小内模型:若 N 是任意 ZF 内模型,则 N 含全部序数,并能按绝对的定义递归重建每个 Lα,所以 LN。HOD 通常更大;总有

LHODV,

但两个包含都可能为严格。V 自身形式上也是自己的内模型,不过在比较方法中它不给出更小的参照。

内模型与外部共享序数,不代表共享基数。若 N 缺少一个把某序数映到 ω 的函数,它可能把外部可数序数判断为不可数;同理,

PN(x)=P(x)N

可能严格小于外部幂集。于是 CH、GCH 和后继基数必须标明在哪个模型中解释。序数绝对,基数是“没有某种双射”的模型相对性质。

任意传递真类并不自动成为内模型。例如“全部序数”作为类是传递的,也含全部序数,却不闭合于配对和幂集,不能满足 ZF。任意可定义类也可能不传递或不满足替换。三个定义条件都承担独立职责。

力迫语境常说基模型 M 是扩张 M[G] 的内模型。若从外部把二者视作集合大小传递模型,这句话是相对于它们共同的模型宇宙说的:集合力迫保持 M 的序数,MM[G] 中扮演全高度地面。它不使外部集合 M 突然包含真正 V 的全部序数。

推论与应用

内模型方法通过“在较窄宇宙中验证公理”给出向内的相对一致性证明。Gödel 证明 LZFC+GCH,从而建立 AC 与 CH 的一致方向。更强的内模型把可测基数等额外结构编码进层级,用于校准大基数公理的强度与描述集合论结论。

向内缩减通常不能制造外部没有的序数,但可以改变哪些序数被看作基数、哪些实数存在,以及哪些组合原则成立。反方向的力迫则向模型加入泛型集合。内模型与力迫一收一放,共同构成现代独立性证明的两种基本运动。

内模型结论始终是模型相对陈述。Nφ 不推出 Vφ,除非另有相应绝对性定理;N 中不存在反例也可能只是反例未被收入。高质量论证必须明确公式复杂度、参数归属与所用绝对性,而不能把“同一个 ”误解为“同一套真理”。

参考资料
  • Thomas Jech, Set Theory, 3rd millennium ed., Springer, 2003, Chapters 12–13, models and constructible sets。
  • Kenneth Kunen, Set Theory, College Publications, 2011, Chapters I and III, inner models and the constructible hierarchy。
  • Keith J. Devlin, Constructibility, Springer, 1984, Chapter IV, L as the minimal inner model。
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