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順序数と基数はどこが違うのか(整列集合から無限の大小へ)

なのに です[1]。足す順番で答えが変わる。

ところが要素の個数で見ると、どちらも可算無限で同じ。順序数は並べ方を測り、基数は個数を測ります[2]。同じ という記号の後ろに、 つの物差しが隠れている。

整列集合

全順序集合で、空でないどの部分集合にも最小元があるとき、整列集合といいます[3]。

は整列集合です。 は最小元がないので違う。 も、 に最小元がないので整列ではありません。

整列だと、超限帰納法が使えます。順に上っていく議論が、無限の先まで届く。

順序型

整列集合には、順序を保つ全単射で移り合うかどうかで分類が入ります。

どの整列集合も、ちょうど つの順序数と順序同型になる[1]。この順序数を順序型と呼びます。

の順序型が 。 の順序型が です。集合としては同じ濃度なのに、順序型が違う。

フォン・ノイマンの順序数

順序数そのものを集合として作る方法があります[1,3]。推移的で、属する関係 で整列される集合を順序数と定める。

推移的とは、要素が同時に部分集合でもあること。この定義だと、各順序数は「それより小さい順序数の全体」になります。

を で定めれば、順序も要素関係だけで決まる。 は自然数全体の集合そのものです。

後続と極限

でない順序数は、 種類に分かれます[3]。

直前の順序数を持つものが後続順序数で、 の形。 や がそうです。

直前を持たないものが極限順序数。自分より小さいものの上限として現れます。 が最小の極限順序数です。

に直前はありません。どの自然数をとっても、その次がまだ より小さい。

ω の先を数える

の先にも順序数は続きます[1]。

は をみたす最小の順序数です。 からベキを重ねる操作では、そこへ届かない。

どれも可算集合の順序型で、濃度はすべて のまま。並べ方だけが複雑になっていきます。

足し算が交換しない

順序数の足し算は、整列集合を横につなぐ操作です。つなぐ順番で結果が変わる[1,3]。

は、 個の点のうしろに の列をつなぐ形。先頭に 個足しただけなので、全体はやはり 型です。

は、 の列のうしろに 個をつなぐ形。この最後の点には直前がないので、 とは別の順序型になります。

かけ算も同じ事情です。 は 個の組を 回並べたもので 型、 は の列を 本並べたものになります[1]。

順序数の演算

並べる順番が結果に効く。、

基数の演算

個数しか見ないので順番は効かない。

超限帰納法

順序数の上では、通常の数学的帰納法が延長できます[1,3]。

のすべてで が成り立つとき も成り立つ。これが示せれば、すべての順序数で が成り立ちます。

証明は最小反例をとる形です。 が偽になる順序数があれば、その中に最小のものがある。整列性が効くところです。

再帰的な定義も同じ形でできます。 での値、後続での作り方、極限での上限。 つを決めれば関数が定まる。

すべての順序数を集めると

順序数を全部集めた は集合になりません[1,3]。ブラリ=フォルティのパラドックスと呼ばれます。

もし集合なら、それ自身が推移的で で整列されるので、順序数になってしまう。すると となり、正則性公理に反します。

は真クラスです。順序数はいくらでも大きくなり、上限がない。

基数

濃度を測るほうへ移ります。選択公理があれば、どの集合も整列できるので、対応する順序数がとれる[2]。

集合 の基数を、 と全単射がある最小の順序数と定めます。この形の順序数を始順序数といいます。

と と はどれも可算ですが、始順序数は だけ。だから になります。

アレフ

無限の始順序数を小さい順に並べたものが、アレフの列です[2,4]。

が可算無限、 がその次、 がさらに次。選択公理のもとでは、どの無限基数もアレフのどれかになります。

は「 より大きい最小の基数」として定義されます。実数の濃度がそれと一致するかどうかは、別の問題です。

基数の演算は退屈

無限基数どうしの足し算とかけ算は、大きいほうを返すだけになります[2]。

、。有理数全体が可算なのは、この式の言いかえです。

順序数の演算があれほど細かく分かれたのに、基数の演算はほとんど情報を持ちません。

式順序数として基数として
より大きい
より大きい

ベキだけは伸びる

足し算とかけ算がつぶれるなかで、ベキだけが基数を大きくします[4]。

カントールの定理です。 から への全射が作れないことから出ます。

だから最大の基数はありません。 といくらでも上がっていく。

が実数の濃度で、連続体濃度と呼ばれます。

連続体仮説

が成り立つか、という問いが連続体仮説です[2,4]。

と のあいだに基数がない、という主張と同じことになります。

ゲーデルとコーエンの仕事によって、ZFC からは証明も反証もできないと分かっています。公理を足すかどうかの選択になる。

連続体仮説が独立でも、 の値がまったく自由なわけではありません。共終数による制約が残ります。

ケーニヒの定理から が出るので、 が言える。 の共終数が だからです。

選択公理を外すと

選択公理がないと、整列できない集合が出てきます。そうなると「最小の順序数」で基数を定義できない[2]。

スコットのトリックで回避できます。 と対等な集合のうち、階数が最小のものだけを集めて基数と定める。

この集め方なら真クラスにならず、集合として扱えます。選択公理なしでも濃度の言葉が使えるようになる。

ただし、どの つの基数も比較できるとはかぎりません。比較可能性は選択公理と同値です。

と について、正しいものはどれですか。

  • 濃度が違う
  • 順序型は違うが、濃度はどちらも
  • 順序型も濃度も同じ
__RESULT__

は果てのない列が 本、 は果てのない列が果てなく並ぶ形で、順序型は違います。どちらも可算集合なので濃度は です。

よくある誤り

順序数と基数を同じものだと思う。 と は順序数として違い、基数として同じです。
順序数の足し算が交換すると考える。 と は別物です。
に直前があると思う。極限順序数には直前がありません。
すべての順序数の集合を作る。真クラスになり、集合にはなりません。
を実数の濃度と決めつける。それが連続体仮説で、証明も反証もできません。
基数のベキも で決まると思う。ベキだけは基数を真に大きくします。
選択公理なしでも基数が全順序になると思う。比較可能性は選択公理と同値です。

順序数を聞かれているのか、基数を聞かれているのか。まずそこを分ける。 の答えが 通りあるように見える混乱は、たいていこのとり違えから出ます。

参考文献

[1] が順序数の定義・演算・ブラリ=フォルティのパラドックス、[2] が基数の定義・アレフ・共終数と連続体仮説、[3] が整列と超限帰納法の扱い、[4] がカントールの定理と連続体濃度の位置づけです。

Ordinal number. Wikipedia(英語).
Cardinal number. Wikipedia(英語).
Ordinalzahl. Wikipedia(ドイツ語).
Nombre cardinal. Wikipédia(フランス語).
$1 + \omega = \omega$ なのに $\omega + 1$ は $\omega$ より大きい。それでも要素の個数はどちらも $\aleph_0$ です。順序数は並べ方を測り、基数は個数を測ります。フォン・ノイマンの定義では、各順序数が自分より小さい順序数の全体になる。後続と極限の区別、$\omega^2$ や $\varepsilon_0$ の並び方、足し算が交換しない理由を図で見ます。基数のほうは足し算もかけ算も $\max$ でつぶれ、ベキだけが伸びる。連続体仮説と共終数による制約、選択公理を外したときのスコットのトリックまで。