一般的,如果一个
集合含有我们所研究问题中涉及的所有元素,那么就称这个集合为全集(universal set),通常记作U。
定义
数学上,特别是在
集合论和数学基础的应用中,全类(若是集合,则为全集)大约是这样一个类,它(在某种程度上)包含了所有的研究对象和集合。
在特定场合下
这个一般概念有一些精确的版本。 最简单的可能就是,任意集合都可能是全集。当研究一个特定集合的时候,这个集合就是全集。 若研究
实数,则所有实数的集合
实数线R就是全集。 这是
康托尔在1870年代和1880年代运用
实分析第一次发展现代
朴素集合论和集合的势的时候默认的全集。 康托尔一开始只关心R的
子集。
这种全集概念在
文氏图的应用中有所反映。 在文氏图中,操作传统上发生在一个表示全集U的大长方形中。 集合通常表示为圆形,但这些集合只能是U的子集。 集合A的
补集则为长方形中表示A的圆形的外面的部分。 严格地说,这是A对U的
相对补集UA;但在U是全集的场合下,这可以被当成是A的
绝对补集A。 同样的,有空交集的概念,即零个集合的
交集(指没有集合,而不是
空集)。 没有全集,空交集将是所有东西组成的集合,这一般被认为是不可能的;但有了全集,空交集可以被当成是有条件(即 U)下的所有东西组成的集合。
这种惯例在基于
布尔格的
代数方法研究基础集合理论时非常有用。 但对
公理化集合论的一些非标准形式并非如此,例如
新基础集合论,这里所有集合的类并不是布尔格,而仅仅是
相对有补格。 相反,U的
幂集,即U的所有
子集组成的集合,是一个布尔格。 上述的
绝对补集是布尔格中的
补运算;而空交集U则作为布尔格中的
最大元(或空交)。 这里,适用于补运算、
交运算和
并运算(
集合论中的
并集)的
德·摩根律成立,而且对空交和空并(即
空集)也成立。
在一般数学中
一旦考虑给定集合 X的
子集(在
康托尔的例子中,X= R),就会进一步关心X的子集组成的集合。 (例如:X上的一个拓扑就是一个 X的子集组成的集合。) 这些不同的X的子集组成的集合本身并不是X的子集,却是 X的
幂集PX的子集。 当然,这还没有完;可以进一步考虑 X的子集组成的集合所组成的集合,等等。 另一个方向是:可以关心
笛卡尔积X× X,或从 X映射到其自身的函数。 那么,可以得到笛卡尔积上的函数,或从X映射到X× PX的函数,等等。
这样,尽管主要关心的是X,仍然需要一个比X大很多的全集。 顺着上面的思路,可能需要X上的
超结构。 这可以通过结构递归来定义,如下:
设 S0X为X自身。设 S1X为X和 PX的
并集。设 S2X为S1X和P(S1X) 的并集。一般的,设Sn+1X为 SnX和 P(SnX) 的并集。则X上的
超结构,写作SX,为S0X,S1X,S2X,等等的
并集或。
注意到,无论初始集合 X如何,
空集总是属于 S1X。 重定义空集为冯·诺伊曼序数[0]。 则 {[0]},仅含有元素空集的集合,属于 S2X;定义为冯·诺伊曼序数 [1]。 类似的,{[1]} 属于 S3X,则 {[0]} and {[1]} 的
并集 {[0],[1]} 也属于该集合;定义为冯·诺伊曼序数 [2]。 重复这个过程,所有的自然数都通过其冯·诺伊曼序数在
超结构中表现出来。然后,若 x和 y属于这个超结构,则 {{x},{x,y}}(这个集合表示了
有序对(x,y))也属于它。从而,这个超结构将包含各种所想要的
笛卡尔积。 而且,这个超结构也包含各种函数和关系,因为他们可以被表示为笛卡尔积的
子集。 以及,还能够得到有序 n
元组,表示为域为诺伊曼序数 [n] 的函数等等。
所以,若仅从X= {} 出发,可以构造大量的用于数学研究的集合,它们的元素属于 {} 上的
超结构 S{}。 但是,S{} 的每个元素都是
有限集合。 每个自然数都属于 S{},但“所有”自然数的集合 N不属于 S{}(尽管它是 S{} 的“子集”)。 实际上,X上的超结构包含了所有的遗传有限集合。 这样,它可以被认为是“有限主义数学的全集”。 若有机会的话,可以建议19世纪的有限主义者
利奥波德·克罗内克使用这个全集;他相信每个自然数都存在但集合 N
无穷大然而,对一般的数学家(它们不是有限主义者)来说,S{} 还不够,因为尽管 N是 S{} 的
子集,但 N的
幂集仍然不是。 特别的,任意的
实数集都不是。 所以,需要重新开始这个过程,来构造 S(S{})。 简单起见,就用给出的自然数集合 N来构造 SN,N上的
超结构。 这常常被认为是“一般数学的全集”。 这个想法在于,所有数学一般研究这个全集的元素。 例如:任何通常的实数的构造(用
戴德金分割表示)属于 SN。 尽管采用自然数的
非标准模型,
非标准分析能够在超结构中进行。
需要注意的是,这个部分在哲学上有些改变,这里全集是任何被关心的集合 U。 上个部分中,被研究的集合是全集的
子集;而在这里,它们是全集的元素。 这样尽管 P(SX) 是一个
布尔格,而相应的 SX不是。 因此,几乎不直接采用布尔格和
文氏图来描述这种超结构式的全集;在上个部分中,它们被用来描述
幂集式的全集。 作为代替,可以采用独立的布尔格 PA,这里 A是 SX中任意相应的集合;则 PA是 SX的
子集(实际上它属于 SX)。
在集合论中
在一般数学中,可以精确定义 SN为全集;这是
策梅洛集合论的模型。策梅洛
集合论是由Ernst Zermelo最初在1908年提出的
公理集合论康托尔在三十年之前开始的课题。 但策梅洛集合论对进一步发展公理集合论和
数学基础中的其他工作,特别是
模型论,是不够的。 举一个戏剧性的例子:上述
超结构的描述并不能独立地在策梅洛集合论中完成! 最后一步,构造 S成为一个无限
并集,需要代换公理;这条公理在1922年被加入策梅洛集合论,成为如今通用的
策梅洛-弗兰克尔集合论。 所以,尽管一般数学可以在 SN中进行,而对SN
元数学。
但是,若在超级的
集合论中,可以发现上述的超结构过程只是
超限归纳法的开始。 回到 X= {}(
空集),并用(标准的)符号Vi表示 Si{}。 则有 V0 = {}, V1 =PVω,这里 ω 为第一个
无穷大序数。 按照序数知识,得到:,可以对任意序数i定义Vi。 所有Vi的
并集为
冯·诺伊曼全集。注意,每个单独的Vi都是集合,但他们的并集 V是一个纯类。 在差不多时候加入ZF 系统的
正则公理说,每个集合都属于V。