独立性证明的有趣故事
市里发生一起凶杀案,警方断定:
- 凶手是男性
- 受害者是女性
- 凶手做案之前有大量饮酒
- 凶手用双手掐死了受害者
受害者的丈夫在案发现前和受害者有过激烈争吵,并且案发时就在案发现场附近。由于是健美教练,有足够的手力掐死一名成年女生。并且,有很多案件,在夫妻发生激烈冲突后发生的。于是被控方锁定为重大嫌疑人。
受害者的丈夫的律师却说:另外一个城市,也是相同情况,但受害人是被一个流窜作案的流动人员杀害的,所以现有证据无法证明嫌疑人就是凶手。
当然,目前为止,也无法证明嫌疑人是凶手。
所以,控辩双方都要继续找证据,来证明他们相要的结果。
其实,数学公理就是“证据”。这种“证据”是一个要求人们先接受,而无需证明的一些命题。至于,为什么要接受,或是因为生活经验,或是因为某些实验结果,再或没有任何理由,反正先接受。但接受的东西之间不能有矛盾的地方。比如,下面一串的东西,不能看成公理。
- 世界中存在两个人类小明和小红
- 小明是男人
- 小红是女人
- 小明与小红是相同性别的
- 男女是两个不同性别
我们再来说一个数学的例子,高等代数中学过数域的定义,我们把这些定义的条件看成公理吧。一个实数子集FF,满足就是下面几条公理,就称为数域(简单起见,我们只在实数上讨论)。
- 1∈F1∈F
- 如果a,b∈Fa,b∈F,则a+b∈Fa+b∈F
- 如果a,b∈Fa,b∈F,则ab∈Fab∈F
- 如果a,b∈Fa,b∈F,则a−b∈Fa−b∈F
- 如果a,b∈Fa,b∈F,b≠0b≠0,则a/b∈Fa/b∈F
那么,对于一个数域FF,由这几条公理(加上默认的一些公理,比如实数完备性的公理),是否能推导出x2=2x2=2在FF上有解?我们说,不能,因为如果我们让FF为有理数集的时候,有理数集是一个数域,但x2=2x2=2无解。那能否推出x²=2x²=2无解呢,我们说也不能,因为如果我们让F=RF=R时,在这个域上是有解的。
于是,得到结论“代数方程x2=2x2=2有解”这个命题,在数域公理体系下,是无法证明,也无法证伪的。于是这个x2=2x2=2是否有解,与数域公理独立。
通过上面的讨论,我们知道,我们要一个命题的证明独立性,有一个办法是,找两个模型,两个模型都满足所有公理的条件,但这个命题在其中一个模型里是真命题,在另外一个是假命题(比如前文中的有理数集和RR)。
我们都熟知的连续统假设与ZFC公理系统独立就是用这样的办法证明的。
第一个找到让连续统假设是真命题模型是哥德尔,他利用了构造性公理。由于ZF和构造性公理一起还能顺便推出选择公理,于是他证明了连续统假设和ZFC是不矛盾的。
找到另一个让连续统假设是假命题模型,要难得多。不过还是由科恩(P.J Cohen)找到了,找的过程中,他用了他本人发明的数学工具力迫法(Forcing)。于是,连续统假设与ZFC公理体系就独立了。由此,科恩获得了1966年的菲尔兹奖,也是唯一一个在数理逻辑领域的菲尔兹奖的获得者。
最后补充一点,我们说公理就是“证据”。现代的公理代数学到底是哪些“证据”呢。这些证据被称为ZF公理体系。我这里列举一下,不过我全部用口语不严谨的列举(严谨的要用形式语言)。
- 公理1 外延公理
两个集合有相同的元素则两集合相等 - 公理2 正规公理
每个非空集合xx 都包含一个元素y∈xy∈x ,使得xx和yy不相交。 - 公理3 分类公理
xx是一个集合,pp是一个描述集合的性质,则{y∈x: p(y)}{y∈x: p(y)}是一个集合 - 公理4 配对公理
x,yx,y都是集合,则{x,y}{x,y}也是集合。 - 公理5 并集公理
一簇集合的并,还是集合。 - 公理6 替代公理模式
一个集合被映射后,得到到的像还是一个集合。这个公理之所以称为模式,无穷多的映射,对同一个集和都能产生像,这些像都是集合。所以这其实无穷多条公理。 - 公理7 无穷公理
存在一个无限个元素的集合(所有自然数在一起是集合)。 - 公理8 幂集公理
一个集合的子集做元素,能形成一个集合。
上面8条就构成ZF公理体系,再加上下面的选择公理,就是ZFC公理体系。
- 公理9 选择公理
对一簇集合,我们可以每一个集合里抓出一个来,形成一个新集合。
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