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基数 - Wikipedia

基数きすう

集合しゅうごう濃度のうどはかるために定義ていぎされた自然しぜんすう一般いっぱん

数学すうがくにおいて基数きすう(きすう、cardinal number または cardinal)とは、集合しゅうごう濃度のうど(cardinality、おおきさ、サイズ)をはかるために定義ていぎされた自然しぜんすう一般いっぱんである。有限ゆうげん集合しゅうごう濃度のうどつまり有限ゆうげん集合しゅうごう要素ようそ個数こすう自然しぜんすうあらわされる。無限むげん集合しゅうごう濃度のうどひとつではないことはゲオルク・カントールによってしめされた。 基数きすうは、集合しゅうごうろん活発かっぱつ研究けんきゅうされている。また、組合くみあわろん抽象ちゅうしょうだい数学すうがく解析かいせきがくふくめた数学すうがくかく分野ぶんや道具どうぐとしても使つかわれる。けんろんでは、基数きすう集合しゅうごうけん骨格こっかく英語えいごばん形成けいせいする。

アレフ・ゼロ最小さいしょう無限むげん基数きすう

濃度のうどは、集合しゅうごうろん創始そうししゃであるゲオルク・カントールによって定式ていしきされた。濃度のうどは、集合しゅうごういち側面そくめんくらべるのにもちいられる。たとえば、{1, 2, 3} と {4, 5, 6} という集合しゅうごうひとしくない。しかし、({1→4, 2→5, 3→6}という一対一いちたいいち対応たいおう存在そんざいによって確立かくりつされた)3というおなじ“濃度のうど”をっている。

カントールは、一対一いちたいいち対応たいおうという概念がいねん無限むげん集合しゅうごう適用てきようすることで濃度のうど定義ていぎした。自然しぜんすう全体ぜんたいからなる集合しゅうごうNとのあいだ一対一いちたいいち対応たいおう存在そんざいする集合しゅうごう可算かさん無限むげん集合しゅうごうといい、可算かさん無限むげん集合しゅうごうおな基数きすう アレフ・ゼロ)をつ。カントールは、このような無限むげん集合しゅうごう対応たいおうする基数きすうちょうきり基数きすう (transfinite cardinal) とんだ。

カントールは、直観ちょっかんはんするかもしれないが、Nのいかなる有界ゆうかい部分ぶぶん集合しゅうごうNおな濃度のうどつということを証明しょうめいした。また、N直積ちょくせきN×N可算かさん無限むげんであるということを証明しょうめいした(これは有理数ゆうりすう全体ぜんたいからなる集合しゅうごう可算かさん無限むげんであることをただちにみちびく)。また、のち代数だいすうてきすう全体ぜんたいからなる集合しゅうごう可算かさん無限むげんであることも証明しょうめいした。

カントールは1874ねん論文ろんぶん[1] において、N濃度のうどより実数じっすう全体ぜんたい集合しゅうごう濃度のうどのほうがしんおおきいということをしめすことによって、高階たかしな基数きすう存在そんざいすることをしめした。かれ証明しょうめいは、区間くかん縮小しゅくしょうほうもちいた複雑ふくざつ論法ろんぽうであった。しかし、1891ねん論文ろんぶん[2] では、おなじことを巧妙こうみょうかつ簡潔かんけつ対角線たいかくせん論法ろんぽうという方法ほうほうもちいて証明しょうめいした。実数じっすう全体ぜんたい集合しゅうごう対応たいおうするあたらしい基数きすうを、連続れんぞくたい濃度のうどといい、カントールは という記号きごうをそれにもちいた。

カントールは基数きすう一般いっぱん理論りろんだい部分ぶぶん発展はってんさせた。かれ最小さいしょうちょうきり基数きすう存在そんざいしめした。また、いかなる基数きすうについても、そのつぎおおきい基数きすう存在そんざいすることをしめした。

かれ予想よそうした連続れんぞくたい仮説かせつは、  ひとしい、という命題めいだいである。連続れんぞくたい仮説かせつは、公理系こうりけいから証明しょうめいもその否定ひてい証明しょうめいできないという意味いみで、集合しゅうごうろん通常つうじょう公理系こうりけいツェルメロ・フレンケルの公理系こうりけい)から独立どくりつであることがしめされている。

有限ゆうげん集合しゅうごう要素ようそ個数こすう自然しぜんすう使つかってかぞえることが出来できる。自然しぜんすう個数こすうかぞえる役割やくわりも「基数きすう」とばれる(対照たいしょうてき順番じゅんばんかぞえる役割やくわりじょすうばれる。基数きすう序数詞じょすうし参照さんしょう)。通常つうじょう数学すうがくでは有限ゆうげん集合しゅうごうだけではなく無限むげん集合しゅうごうあらわれ、とく可算かさん濃度のうど可算かさん濃度のうど区別くべつすることはおおきな意味いみつ。このため有限ゆうげん集合しゅうごう場合ばあい自然しぜんすう一般いっぱんとして無限むげん集合しゅうごう濃度のうどについてもそれをあらわす「指標しひょう」として基数きすう定義ていぎしたい。

集合しゅうごう濃度のうど概念がいねんぜんたんしゃをもちいて定義ていぎされる。2つの集合しゅうごうひとしい濃度のうどつとは、その集合しゅうごうあいだぜんたんしゃ存在そんざいすることをいう。有限ゆうげん集合しゅうごうかならずなんらかの自然しぜんすう n にたいし {0 ... n-1} とのあいだぜんたんしゃつくれることがわかり、有限ゆうげん集合しゅうごう濃度のうど指標しひょうとしては自然しぜんすう採用さいようすればいいことがかる。無限むげん集合しゅうごう場合ばあいは、いは複雑ふくざつになってくる。たとえば、有限ゆうげん集合しゅうごう部分ぶぶん集合しゅうごうもと集合しゅうごう濃度のうどひとしくなりないのにたいし、無限むげん集合しゅうごう部分ぶぶん集合しゅうごう濃度のうどもと集合しゅうごう濃度のうどひとしいということがきる(デデキント無限むげん参照さんしょう)。さらにカントールがしめしたように、無限むげん集合しゅうごう濃度のうどには最大さいだい存在そんざいせず、いくらでもおおきな濃度のうど構成こうせいすることが出来できる。

カントールは基数きすう濃度のうどひとしい集合しゅうごうからなる同値どうちるいとして素朴そぼく定義ていぎした。しかし(ZFCなどの標準ひょうじゅんてき集合しゅうごうろんでは)この方法ほうほうでは基数きすう集合しゅうごうとしてあつかうことは出来できず、また基数きすうからなる集合しゅうごうやクラスをかんがえることは本質ほんしつてき困難こんなんである。これを回避かいひする方法ほうほうフォン・ノイマンデイナ・スコット[3] によって提示ていじされた。

基数きすう厳密げんみつ定義ていぎ

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(カントールによってあんに、フレーゲプリンキピア・マテマティカにおいて明確めいかくしめされていた)基数きすうもっとふる定義ていぎは、集合しゅうごう全体ぜんたいからなるクラスを濃度のうどによる同値どうち関係かんけいったときの同値どうちるいとしての定義ていぎである。つまり X濃度のうど | X |X一対一いちたいいち対応たいおうであるすべての集合しゅうごうからなるクラスとして定義ていぎされる。これは、ZFC関連かんれんする集合しゅうごうろん公理系こうりけいではうまく機能きのうしない。実際じっさいXそらでない集合しゅうごうとしたとき、集合しゅうごう S{SX対応たいおうさせる写像しゃぞうかんがえることによって、宇宙うちゅうから | X | へのたんしゃ存在そんざいし、サイズの限界げんかい (en:Limitation of size) より、| X |しんのクラスである。

フォン・ノイマンの

任意にんい順序じゅんじょすう βべーたたいβべーた < αあるふぁ ⇒ | βべーた | < | αあるふぁ |たす順序じゅんじょすう αあるふぁはじめ順序じゅんじょすう (initial ordinal) という[注釈ちゅうしゃく 1]。このとき整列せいれつ可能かのう集合しゅうごう Xたいして min{αあるふぁON :| αあるふぁ | = | X | } を濃度のうど | X |はじめ順序じゅんじょすうという(ただし ON順序じゅんじょすう全体ぜんたいからなるクラス)。 整列せいれつ可能かのう集合しゅうごう濃度のうどをそのはじめ順序じゅんじょすうとして定義ていぎすることをフォン・ノイマンのてという。

このとき、順序じゅんじょすうαあるふぁたいして濃度のうど| αあるふぁ |はじめ順序じゅんじょすうαあるふぁ自身じしんであるならば、αあるふぁ基数きすうであるという。また、濃度のうど| αあるふぁ |ひとしい集合しゅうごうXについて、X基数きすうαあるふぁであるとい、| X |=αあるふぁく。

スコットのトリック

整列せいれつ可能かのう定理ていり仮定かていしない場合ばあい以下いか方法ほうほうもちいて整列せいれつ可能かのうとはかぎらない集合しゅうごう X濃度のうどとして以下いか集合しゅうごうてる(くわしくはスコットのトリック参照さんしょう):

| X | := {A : | A | = | X | かつ、任意にんい集合しゅうごう B にたいし「| B | = | X | → rank( A) ≤ rank( B)」}

このとき基数きすうはある集合しゅうごう濃度のうどひとしい集合しゅうごうのうち階数かいすう一番いちばんちいさいもの全体ぜんたいからなる集合しゅうごうとして定義ていぎされる。

どのような定義ていぎ採用さいようするにしろ2つの基数きすうひとしいのは、それらの基数きすう濃度のうどとするような集合しゅうごうあいだぜんたんしゃ構成こうせいできるちょうどそのときである。整列せいれつ可能かのう集合しゅうごう濃度のうどとしてあらわせる基数きすうアレフすう(aleph number)という。ここでは基数きすう全体ぜんたいからなるクラスを   とかく。 しんのクラスである。

大小だいしょう関係かんけい

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基数きすうあいだ大小だいしょう関係かんけい

  • κかっぱλらむだ ⇔ 「XYκかっぱ = | X | , λらむだ = | Y |たすなら、X から Y へのたんしゃ存在そんざいする」

定義ていぎする

有限ゆうげん基数きすう無限むげん基数きすう

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有限ゆうげん集合しゅうごう濃度のうどとなる基数きすう有限ゆうげん基数きすうといい、自然しぜんすう n にたいし、n てん集合しゅうごう濃度のうどnく。 無限むげん集合しゅうごう濃度のうどとなる基数きすう無限むげん基数きすうという。自然しぜんすう全体ぜんたいからなる集合しゅうごう濃度のうど く(   )。実数じっすう全体ぜんたいからなる集合しゅうごう基数きすう  などとき(  連続れんぞくたい濃度のうどぶ。

基数きすう演算えんざん

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基数きすうたいしての基本きほんてき演算えんざんは、有限ゆうげん基数きすうについて自然しぜんすうじょうのよくられた演算えんざん一致いっちするように定義ていぎされる。

以下いかとく言及げんきゅうのないときは選択せんたく公理こうり仮定かていする。XY集合しゅうごうκかっぱλらむだμみゅーνにゅー基数きすうとする。

後続こうぞく

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| X |+ := |{ αあるふぁON : |αあるふぁ|≤| X | }|

Xハルトークスすう (Hartogs number) という(これは濃度のうど| X | よりおおきい最小さいしょう順序じゅんじょすう一致いっちする)。κかっぱ+κかっぱ後続こうぞくという。 κかっぱ有限ゆうげんときκかっぱ+ = κかっぱ+1成立せいりつ一方いっぽう無限むげん基数きすうのときは κかっぱ+κかっぱ+1ことなる。

| X |+| Y | := | XY | (ただし XYXY直和なおかず (X × {0})∪(Y × {1}) のこと)

| X || Y |という。 基数きすう加法かほうについて以下いかつ。

  • 単位たんいもと : κかっぱ+0 = κかっぱ
  • 結合けつごうりつ : (κかっぱ+λらむだ)+μみゅー = κかっぱ+(λらむだ+μみゅー)
  • かわただし : κかっぱ+λらむだ = λらむだ+κかっぱ
  • 順序じゅんじょ保存ほぞん : κかっぱλらむだκかっぱ+μみゅーλらむだ+μみゅー
  • κかっぱλらむだ のどちらかが無限むげん基数きすうのとき κかっぱ+λらむだ = max{κかっぱ,λらむだ}
  • 減法げんぽう : 無限むげん基数きすう κかっぱ基数きすう λらむだ にたいし、κかっぱ > λらむだ のとき λらむだ+μみゅー = κかっぱμみゅー = κかっぱ

乗法じょうほう

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| X |·| Y | := | X × Y | (ただし X ×YXY直積ちょくせき。)

| X || Y |せきという。

  • 吸収きゅうしゅうもと : κかっぱ·0 = 0
  • れい因子いんし存在そんざい : κかっぱ ≠ 0 , λらむだ ≠ 0 ⇒ κかっぱ·λらむだ ≠ 0
  • 単位たんいもと : κかっぱ·1 = κかっぱ
  • 結合けつごうりつ : (κかっぱ·λらむだμみゅー = κかっぱ·(λらむだ·μみゅー)
  • かわただし : κかっぱ·λらむだ = κかっぱ·λらむだ
  • 順序じゅんじょ保存ほぞん : κかっぱλらむだκかっぱ·μみゅーλらむだ·μみゅー
  • 分配ぶんぱいりつ : κかっぱ·(λらむだμみゅー) = κかっぱ·λらむだ+κかっぱ·μみゅー(κかっぱ+λらむだμみゅー = κかっぱ·μみゅー+λらむだ·μみゅー
  • 0 でない基数きすう κかっぱλらむだ のどちらかが無限むげん基数きすうのとき κかっぱ·λらむだ = max{κかっぱ,λらむだ}
除法じょほう

無限むげん基数きすう κかっぱ基数きすう λらむだ > 0 にたいし、κかっぱ > λらむだ のとき λらむだ·μみゅー = κかっぱμみゅー = κかっぱ

| X || Y | := | X Y| (ただし X YY から X への写像しゃぞう全体ぜんたい。)

| X |そこ| Y |指数しすうとするべきという。

  • κかっぱ0 = 1κかっぱ1 = κかっぱ
  • κかっぱ > 0 ⇒ 0κかっぱ = 0
  • 指数しすう法則ほうそく :
κかっぱ(λらむだ+μみゅー) = κかっぱλらむだ·κかっぱμみゅー
(κかっぱ·λらむだ)μみゅー = κかっぱμみゅー·λらむだμみゅー
(κかっぱλらむだ)μみゅー = κかっぱλらむだ·μみゅー
  • 順序じゅんじょ保存ほぞん :
κかっぱλらむだκかっぱμみゅーλらむだμみゅー
κかっぱ > 0 , λらむだμみゅーκかっぱλらむだκかっぱμみゅー
  •   
  • 無限むげん基数きすう λらむだ にたいし以下いか成立せいりつ
2 ≤ κかっぱ ≤ 2λらむだκかっぱλらむだ = 2λらむだ
λらむだκかっぱκかっぱλらむだ ≤ 2κかっぱ
|cf(κかっぱ)| ≤ λらむだκかっぱ < κかっぱλらむだ (ただし cf(κかっぱ)κかっぱはじめ順序じゅんじょすうきょうおわりすうあらわすとする。)
2 ≤ κかっぱ ≤ 2λらむだκかっぱλらむだ = λらむだ+
|cf(κかっぱ)| ≤ λらむだκかっぱκかっぱλらむだ = κかっぱ+
λらむだ < |cf(κかっぱ)| ⇒ κかっぱλらむだ = κかっぱ 
べきじょう

基数きすう λらむだκかっぱ にたいし、μみゅーλらむだ = κかっぱたす μみゅー存在そんざいするとも一意的いちいてきともかぎらない。λらむだ有限ゆうげんκかっぱ無限むげんなら、μみゅーλらむだ = κかっぱμみゅー = κかっぱ

対数たいすう

基数きすう λらむだκかっぱ にたいし、λらむだμみゅー = κかっぱたす μみゅー存在そんざいするとも一意的いちいてきともかぎらない。無限むげん基数きすう κかっぱ にたいし log(κかっぱ) := inf{ λらむだ : κかっぱ ≤ 2λらむだ } を κかっぱ対数たいすうという。このとき log(κかっぱ) ≤ κかっぱκかっぱ ≤ 2log(κかっぱ)

しょ概念がいねん

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アレフすうとベートすう

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アレフすう

順序じゅんじょすう   にたいし、  ばんのアレフすう く。より正確せいかくには  以下いかのようにちょうきり再帰さいきにより定義ていぎする。

  • 0 :  
  • 後続こうぞく順序じゅんじょすう :  後述こうじゅつ後続こうぞく参照さんしょう
  • 極限きょくげん順序じゅんじょすう :  (ただし  極限きょくげん順序じゅんじょすう

とくにアレフすうれつ   のことをアレフすうぶこともある。アレフすうかならずなんらかの   によって  あらわせる。 はじめ順序じゅんじょすう く。

ベートすう

順序じゅんじょすう   にたいし、 以下いかのようにちょうきり再帰さいきにより定義ていぎする。

  • 0 :  
  • 後続こうぞく順序じゅんじょすう :  後述こうじゅつ後続こうぞく参照さんしょう
  • 極限きょくげん順序じゅんじょすう :  (ただし  極限きょくげん順序じゅんじょすう

れつ   ないしれつじょう基数きすうベートすう(beth number)とぶ。

連続れんぞくたい仮説かせつ
  •  

連続れんぞくたい仮説かせつ

  •  

一般いっぱん連続れんぞくたい仮説かせつという。

この仮説かせつゲオルク・カントールによって予想よそうされた。ヒルベルトかれ有名ゆうめい23 の問題もんだいだい一番いちばんにこの連続れんぞくたい仮説かせつげている。そのクルト・ゲーデル構成こうせい可能かのう集合しゅうごう全体ぜんたいのクラス L一般いっぱん連続れんぞくたい仮説かせつをみたすことをしめし、「ZFC からは一般いっぱん連続れんぞくたい仮説かせつ否定ひてい証明しょうめいできない」ことを証明しょうめいした。ポール・コーエン強制きょうせいほうばれるあたらしい手法しゅほうもちいて連続れんぞくたい仮説かせつりたないモデルを構成こうせいし「ZFC から連続れんぞくたい仮説かせつ証明しょうめいできない」ことを証明しょうめいした。これらの結果けっかから(一般いっぱん連続れんぞくたい仮説かせつの ZFC からの独立どくりつせいしめされ、連続れんぞくたい仮説かせつ一応いちおう解決かいけつた。コーエンはこの業績ぎょうせきによりフィールズしょう受賞じゅしょうしている。

後続こうぞく基数きすう極限きょくげん基数きすう

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無限むげん基数きすう κかっぱ がなんらかの基数きすう λらむだ使つかって κかっぱ = λらむだ+あらわせるとき κかっぱ後続こうぞく基数きすうといい、κかっぱ = sup {λらむだCN : λらむだ < κかっぱ } とあらわせるとき κかっぱ を(じゃく極限きょくげん基数きすうという。後続こうぞく基数きすうでなければ極限きょくげん基数きすうである。極限きょくげん基数きすう κかっぱλらむだ < κかっぱ ⇒ 2λらむだ < κかっぱたすときつよ極限きょくげん基数きすうという、これは log(κかっぱ) = κかっぱ同値どうち

正則せいそく基数きすう特異とくい基数きすう

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無限むげん基数きすう  

  •   かつ   ならば  

たすとき正則せいそく基数きすうたさないとき特異とくい基数きすうという。 正則せいそく基数きすうとなることと  同値どうち正則せいそく極限きょくげん基数きすうじゃく到達とうたつ不可能ふかのう基数きすう正則せいそくつよ極限きょくげん基数きすうつよ到達とうたつ不可能ふかのう基数きすうという。

出典しゅってん

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  1. ^ Cantor; Cantor (1874-01-01) (ドイツ). Ueber eine Eigenschaft des Inbegriffs aller reellen algebraischen Zahlen.. 1874. pp. 258–262. doi:10.1515/crll.1874.77.258. ISSN 1435-5345. https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/crll.1874.77.258/html. 
  2. ^ Cantor, Georg (1891). “Ueber eine elementare Frage der Mannigfaltigketislehre”. Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung 1: 72-78. ISSN 0012-0456. http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?PPN37721857X_0001. 
  3. ^ Klee, V. L. (1955). “The June meeting in Vancouver” (英語えいご). Bulletin of the American Mathematical Society 61 (5): 433–444. doi:10.1090/S0002-9904-1955-09941-5. ISSN 0002-9904. https://www.ams.org/bull/1955-61-05/S0002-9904-1955-09941-5/. 

注釈ちゅうしゃく

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  1. ^ ただし ON最小さいしょうもとという意味いみで0をはじめ順序じゅんじょすうということもある

関連かんれん項目こうもく

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