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解法:哥德尔与科恩:连续统假设独立于ZFC(1963年)

第 2/9 步:“独立于 ZFC\mathrm{ZFC}”究竟是什么意思
通俗地说

两千年来,数学家试图从欧几里得其余四条公理中证明第五公设(关于平行线的公设),却始终失败;最终发现这条公设确实是可选的——它成立的几何(平坦的欧几里得几何)与它不成立的几何(弯曲的非欧几里得几何)都同样相容。

ZFC\mathrm{ZFC}(带选择公理的策梅洛–弗兰克尔集合论)是数学家用来构造集合的标准规则手册。说 CH\mathrm{CH} 独立于 ZFC\mathrm{ZFC},意味着它的表现与欧几里得第五公设完全一样:规则手册本身根本不能决定 CH\mathrm{CH} 或其反面 ¬CH\neg\mathrm{CH} 哪个成立,而两种选择都会导向同样相容的集合世界。

ZFC⊬CHandZFC⊬¬CH\mathrm{ZFC} \nvdash \mathrm{CH} \quad\text{and}\quad \mathrm{ZFC} \nvdash \neg\mathrm{CH}
详细分析

命题 φ\varphi 独立于一个相容理论 TT,是指 φ\varphi 与 ¬φ\neg\varphi 都不能从 TT 的公理中证明出来;等价地,T+φT + \varphi 与 T+¬φT + \neg\varphi 本身都是相容的理论。因此证明独立性总是需要两个独立的部分,每一个都是一个相对相容性结果。

第一半:构造一个模型(一个集合的宇宙),其中 ZFC\mathrm{ZFC} 的每条公理都成立,且 CH\mathrm{CH} 也成立,从而说明 ZFC⊬¬CH\mathrm{ZFC} \nvdash \neg\mathrm{CH}。第二半:构造另一个模型,其中 ZFC\mathrm{ZFC} 的每条公理都成立,但改为 ¬CH\neg\mathrm{CH} 成立,从而说明 ZFC⊬CH\mathrm{ZFC} \nvdash \mathrm{CH}。单独一半并不能确立独立性——哥德尔到1940年只给出了第一半,这仍留有 CH\mathrm{CH} 可能从 ZFC\mathrm{ZFC} 中被证明的余地;直到科恩在1963年构造出第二个模型,这一缺口才被彻底堵上。

接下来三步呈现哥德尔的那一半(第3–4步),再接下来三步呈现科恩的那一半(第5–7步),然后第8步将两者结合成完整的独立性定理。

本步骤中的术语
理论的模型
一个结构(这里指配有属于关系 ∈\in 的集合宇宙),使给定理论的每条公理都成立。构造 ZFC+φ\mathrm{ZFC} + \varphi 的一个模型,正是证明 φ\varphi 与 ZFC\mathrm{ZFC} 相容的方法。
本步骤用到的知识