公理正交化

2026-06-14

0. 公理化

对于 ,定义

若:

  1. 是可满足的

是理论(theory)

理论 是有限可公理化的,定义为有限公理集合 ,使得,

如果一个公理化满足对每个

那么称这是独立公理化。

是独立公理化,等价于每个公理都有只违背它自己,不违背其他公理的反模型。

1. 正交化

每个有限公理化都可以改写为有限独立公理化,对于

的一个有限独立公理化。

这个过程类似在线性空间中提取一组基并正交化,使得 不仅是一个有限独立公理化,还满足一个特殊性质:任何一个 -结构至多违背 中的一个公理。

显然,对于独立公理化,其正交化不改变大小。

2. 例题

是一阶语言, 是由单个句子 公理化的理论。定义

证明:

  1. 的独立公理化,则 有限。
  2. ,则
  3. 有最大值 当且仅当存在互不相容的 complete sentences

使得,

第一问:

的独立公理化,则有

由紧致性定理的证明论形式,存在 的有限子集 ,从而 ,由于 独立,因此 有限。

第二问只需将一部分公理取交即可。

主要考虑第三问:

引理

存在互不相容且可满足的 sentences ,使得 ,则

的独立公理化。

证明:

首先,

所以

只需证明 独立。

对于每个 ,由于 可满足,取模型 。任取 不相容,所以

所以 就是只违背 自己,不违背其他公理的反模型。

if 方向

由引理可知,

的独立公理化。

因此,

下面证明 是最大值。

任取一个有限独立公理化并将其正交化为

那么

显然, 均可满足,下面证明

互不相容。

由正交化性质, 至多违背一个公理,若 ,则

所以对于 总是不相容,得证。

由于

因此存在 ,使得 可满足。

由于 是 complete sentences,可以进一步知道

所以每个 都被某个 蕴含,而 两两不相容且 可满足,所以它们不能被同一个 蕴含。

因此,

only if 方向

设独立公理化 ,将 正交化为

均可满足且互不相容。

另一方面,由最大性可知, 都是 complete sentences,否则若 不是 complete sentences,即存在 使得 均一致,则可以用 替换 加入这个互不相容系统,由引理可以得到大小为 的独立公理化,矛盾。

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