良序定理(Well-ordering Theorem)声称所有集合都可以被良序排序。在ZF公理集合论系统中,它与选择公理和
佐恩引理是等价的。
定义
选择公理的一种等价形式.该定理断言:每一个集合可以被良序.早在1883年,德国数学家康托尔(Cantor,G.(F.P.))发明基数理论之时,他就提出了连续统的大小问题,并且假定全体实数的集合(连续统)可以被良序.由于这个良序时至今日仍未找到,所以康托尔的假定一直遭到强烈反对.1904年,德国数学家策梅洛(Zermelo,E.F.F.)给出了选择公理的明确表达,并用之证明了每个集合是可被良序的.不久,又证明了良序定理与选择公理是等价的.由良序定理可知,每一集合序同构于某个序数,又可基等价于某个基数,从而给人们带来了极大的方便,例如,可以在任何集合上应用超穷归纳的证明方法。
所有集合都是可良序的。集合论的重要定理之一。德国逻辑学家策梅罗(E.Zermelo)1904年首次证明。包括选择公理在内的集合论公理,能证明良序定理;由除选择公理以外的集合论公理,加上良序定理,也能证明选择公理。
选择公理的等价形式之一。其内容为:对任何集合S,存在S上的二元关系R,使得是良序集。它意味着:任何集合都可以良序化。德国数学家策梅罗于1904年提出了这一定理,并在选择公理的基础上给出了定理的证明。
基本概念
定义称CPXP是良序的,若C的任何非空子集均有极小元;
称CPxP是逆良序的,若C的任何非空子集均有极大元;
称APxP在PxP中是相对良序完备的,若A的任一个良序集或逆良序集在PxP中有上确界和下确界,若A=PxP,则称PxP是良序完备的。
与选择公理的关系
ZFC中的证明
良序定理是一条
ZFC公理集合论系统中的定理。它可以由佐恩引理证明如下:
对任意集合S,为了证明存在S上的一个良序,令集合P为所有S的子集上的良序(严格来说,P的元素是S的子集和其上的良序关系组成的有序对)。对任意A,B∈P,定义A≤B当且仅当A是B的一个前段。(P,≤)构成一偏序集,且对这个偏序集的任意链,取其中所有良序的并,则得到这条链的一个上界。应用佐恩引理,得到P有一个极大元M。M必然是整个S的一个偏序,否则若x是不在M中的一个S的元素,把x接到M后面得到M',则M'∈P且M≤M',与M的极大性矛盾。定理得证。
反推选择公理
在ZF中,由良序定理可以简单地证明选择公理:
对任意由非空集合组成的集合A,取A的并集S,由良序定理,S是可以良序的。A中的任意集合X都是S的非空子集,故根据这个S的良序,可以选出一个最小元素x。这种选择是满足
替换公理模式的条件的,故应用替换公理模式,即证明了选择公理。
由此可见,在ZF中良序定理和选择公理是等价的,故在有些
ZFC公理系统的表示中,良序定理代替了选择公理。
意义
良序定理是非常重要的,因为它确保所有集合适用
超限归纳法的强力技术。
康托尔认为良序定理是“思维的基本原理”。但是多数数学家发现想象如实数集合R这样的良序集合是困难的。在
1904年,Julius König声称已经证明了这种良序不能存在。几周之后,
费利克斯·豪斯多夫在他的证明中发现了一个错误。
恩斯特·策梅洛接着引入了
选择公理作为证明良序定理的“不讨厌的逻辑原理”。这揭示了良序定理等价于选择公理,在它们中的一个和Zermelo-Fraenkel公理一起足够证明另一个的意义上。
良序定理已经推出似乎是悖论的推论,比如
巴拿赫-塔斯基悖论。