配对公理(axiom of pairing)亦称无序对公理,是集合论的一条重要公理。配对公理内容为,对任意集合a与b,存在只含a与b的集合{a,b}。
1874-1897年, 格奥尔格·康托尔 (G.Cantor)发表了一系列论文,他以“朴素的”观点来看待集合的,但没有明确规定对于已知集合做哪些事情是合法的。 后来, 罗素悖论 暴露了集合论自身的矛盾,造成了数学发展史上的所谓第三次大危机。为了避免 悖论 ,解决集合论自身的基础问题,20世纪初开始了公理学研究方向。 1908年, 德国 数学家恩斯特·弗里德里希·费狄南·策梅洛(Ernst Friedrich Ferdinand Zermelo) 提出了基本集合公理,1930年,他改进了该公理,形成了现在说的配对公理。后来,他陆续提出了其他公理,形成了应用广泛的Zemelo-Freankel 公理系统 ,简称ZF公理系统, 该系统推动了现代数学的发展,被美国学者给予了很高的评价。
ZF公理系统还有很多其他公理,它们不是独立存在的,配对公理可以由替换公理推出。 配对公理可定义有序对、无序对的概念,且关于配对公理,有一些有趣的事情, 恩斯特·策梅洛 得到了自然数的模型,后经改进,得到了今天使用的自然数构造系统。
定义
配对公理亦称无序对公理,集合论的一条重要公理。该公理断言:对任意集合 与 ,存在只含 与 的集合 。这条公理可形式化为:
。
令 是定域中的任意对象。配对公理蕴含存在外延 ,它仅有的元素是 。如果没有性质是好的,那么只存在一个外延,即坏事物 。所以 。但我们有 ,由此 。所以, 。由于 是任意的,如果没有性质是好的,那么配对 定理 蕴含 是论域中仅有的对象。
简史
背景
1874-1897年, 格奥尔格·康托尔 (G.Cantor)发表了一系列论文,奠定了集合论的基础,从此集合论的概念和结果被广泛应用于数学的各个分支。在集合论创立的初期,康托尔是以所谓“朴素的”观点来看待集合的,没有明确规定对于已知集合做哪些事情是合法的。 1903年, 伯特兰·阿瑟·威廉·罗素 (Bertrand Russell)在《 数学原理 》一书中提出了一个悖论,可以通过理发师的例子进行通俗的解释。 罗素悖论暴露了集合论自身的矛盾,使数学的基础发生动摇,造成了数学发展史上的所谓第三次大危机。为了避免悖论,解决集合论自身的基础问题,20世纪初开始了集合论公理学的研究方向。
提出
1908年, 德国 数学家 恩斯特·策梅洛 (E-Zermelo) 提出了基本集合公理,1930年,他改进了该公理,形成了现在说的配对公理。后来,他陆续提出了其他公理,形成了应用广泛的Zemelo-Freankel 公理系统 ,简称ZF公理系统。
衍生概念
无序对
恰好有两个元素的集合,并且这两个元素之间没有一定的顺序,叫做无序对集合。
设有集 , ,取集 使 。由 和 形成的无序对,用 表示,指集:
。
由定义知,无序对 以 和 为仅有的成员:
。
当 时,记 ,叫做由集 形成的独元集。在无序对 中, 和 的地位是平等的: 。 比如 就是一个无序对集合,对于 ,还可以写作 ,就有 。
有序对
以集 为先,集 为后的有序对,用 表示,指集:
。
可知,有序对的两个坐标 都是唯一确定的,所以可得 定理 :
当且仅当 且 。
其他公理
1908年, 恩斯特·策梅洛 (E-Zermelo)给出了第一个集合论公理系统,现在人们称它为Z系统,后经斯柯伦(Skolem)、弗兰克尔(Frankel)等人的改进,形成了著名的ZF公理系统。ZF系统的展开是形式化的,它是以带等词“ ”和隶属关系“ ”的狭谓词演算为基础,加上关于集合基本性质的非逻辑公理组成的形式演绎体系。它的非逻辑公理有: 外延公理 、空集公理、配对公理、 并集公理 、 幂集公理 、 子集 公理、无穷公理、替换公理、正则公理,如果加上 选择公理 AC时,得到的系统就是ZFC(ZF+AC)。 ZFC系统中的公理不是各自独立的——其中配对公理可由替换公理推出。 ZF 公理系统 推动了集合论的发展,也推动了整个现代数学的发展。 加利福尼亚州 大学的S·K·Stein教授这样评价:“这些公理的威力非常之大,所有普通的数学都能够从Zemelo-Freankel公理演绎出来。”
存在公理
存在一个没有元素的集合。
形式表示: 。
外延公理
如果 的每个元素都是 的一个元素,并且 的每个元素也是 的一个元素,那么 。
形式表示: 。
基础公理
基础公里也叫正则公里,所有的集合都是良基的。
形式表示: 。
概括公理模式
令 是 的一个性质。对任意的集合 ,存在一个集合 ,使得 当且仅当 并且 。
形式表示: 。
幂集公理
对任意的集合 ,存在一个集合 ,使得 当且仅当 。
形式表示: 。
并集公理
对任意的集合 ,存在一个集合 ,使得 当且仅当对某个 , 。
形式表示: 。
无穷公理
存在一个归纳集。
形式表示: 。
替换公理模式
令 是一条性质,并且对每个 存在唯一的 使得 成立。对每个集合 ,存在一个集合 ,使得对每个 ,存在 使 成立。
形式表示: 。
选择公理
对于每个集合系统都有一个选择函数。
形式表示: 。
其中: 可表述为: 。
轶闻趣事
关于配对公理,有一些有趣的事情。首先,构造自然数的模型,如对于 , 恩斯特·策梅洛 取了空集;对于 ,他取 ;对于 ,他取了 (集合 );对于 ,他取了 (集合 ),依此类推。因此,对于每个 自然数 ,数字 是单元集 。因此, 由括在 对括号中的 表示。
后来,约翰· 约翰·冯·诺依曼 (John Von Neumann)修改了 恩斯特·策梅洛 对自然数的构造,提出了今天所使用的系统,冯·诺依曼以这样的方式定义自然数,即每个自然数都是所有更小的自然数的集合。因此, 是空集, 是集合 (与策梅洛一样),但 是集合 (其仅有的元素是 和 ), 是集合 ,…, 是集合 。且 约翰·冯·诺依曼 对 自然数 的定义很容易扩展到无穷 序数 的定义,在集合论中起着关键作用。