Teorija skupova je matematička teorija dobro definisanih kolekcija objekata koje zovemo skupovima. Ovi objekti se zovu elementi skupa. Čista teorija skupova je ona teorija u kojoj su elementi skupa opet skupovi. Srž teorije skupova je proučavanje beskonačnih skupova. U teoriji skupova skupovi su dati aksiomatski, tj njihovo postojanje i osnovna svojstva su data odgovarajućim formalnim aksiomama. Formalni jezik čiste teorije skupova dopuštaju da se formalizuju svi matematički pojmovi. Na taj način teorija skupova postaje standardna osnova matematike pošto svaki matematički objekt može da se vidi kao skup i svaka teorema matematike može logički biti izvedena predikatskim računom iz aksioma teorije skupova.

Venov dijagram koji ilustruje presek dva skupa.

Oba aspekta teorije skupova, kao matematičke nauke o beskonačnom i kao osnove matematike, imaju svoje filozofsko značenje. Da bi se mogao u potpunosti razumeti ovaj članak, potrebno je prvo pročitati članak Osnove teorije skupova.

Istorija uredi

 
Georg Kantor

Matematički pojmovi se obično se pojavljuju i razvijaju putem međusobnih interakcija mnogih istraživača. Teoriju skupova je, međutim, utemeljio jedan rad Georga Kantora iz 1874: „O svojstvima kolekcije svih realnih algebarskih brojeva“.[1][2]

Od 5. veka p. n. e., počevši sa grčkim matematičarom Zenonom iz Eleje na Zapadu, i ranih Indijskih matematičara na Istoku, matematičari su se borili sa konceptom beskonačnosti. Posebno značajan je rad Bernarda Bolcana u prvoj polovini 19. veka.[3] Savremeno shvatanje beskonačnosti je nastalo tokom perioda 1867–71, sa Kantorovim radom na teoriji brojeva. Jedan sastanak Kantora i Riharda Dedekinda iz 1872. godine je imao uticaja na Kantorova razmišljanja i kulminirao je njegovom publikacijom iz 1874. godine.

Kantorov rad su inicijalno popularizovali njegovi savremenici. Dok su Karl Vajerštras i Dedekind podržavali Kantora, Leopold Kroneker, koji se u današnje vreme smatra osnivačem matematičkog konstruktivizma, nije. Kantorova teorija skupova je vremenom postala široko prihvaćena, zbog korisnosti njenih koncepata, poput bijekcije među skupovima, njegovog dokaza da postoji više realnih brojeva nego celih brojeva, i koncepata kao što je „beskonačnost beskonačnosti“ („Kantorov raj“) koja proizilazi iz operacija partitivnog skupa. Korisnost teorije skupova je dovela do članka „Mengenlehre“, koji je Artur Šenflis napisao za Klajnovu enciklopediju 1898. godine.

Sledeći talas uzbuđenja teorijom skupova je naišao oko 1900. godine, kada je otkriveno da neka tumačenja Kantorove teorije skupova dovode do izvesnih protivrečnosti, zvanih antinomije ili paradoksi. Bertrand Rasel i Ernst Cermelo su nezavisno jedan od drugog pronašli najjednostavniji i najpoznatiji paradoks, koji se u današnje vreme zove Raselovim paradoksom: razmotrimo „skup svih skupova koji nisu članovi samih sebe“, što dovodi do kontradiktornosti pošto skup mora biti član samog sebi, i ne može da bude član samog sebe. Godine 1899. sam Kantor je postavio pitanje „Šta je kardinalan broj skupa svih skupova?“, i došao je do sličnog paradoksa. Rasel je koristio svoj paradoks kao temu u njegovom pregledu kontinentalne matematike iz 1903.: Principi matematike.

Godine 1906. je engleskim čitaocima postala dostupna knjiga „Teorija skupova i tačaka“[4] autora Vilijama Henrija Janga i njegove supruge Grejs Čišolm Jang.

Momenat teorije skupova je bio takav da debata o paradoksima nije dovela do njenog napuštanja. Rad Zermela iz 1908, i Abrahama Frenkela iz 1922. godine proizveli su set aksioma Cermelo-Frenkelove teorije skupova, koji su postali najšire korišteni aksiomi u teoriji skupova. Rad analitičara, poput Anrija Lebega, je pokazao veliku matematičku korisnost teorije skupova, koja je od tada postala utkana u modernu matematiku.

Ishodišta uredi

Ocem teorije skupova, kao posebne matematičke discipline, se smatra Georg Kantor (nem. Georg Cantor). Njegovo fundamentalno otkriće je bilo da je skup realnih brojeva neprebrojiv tj. i pored toga da su skupovi prirodnih i realnih brojeva beskonačni, više je realnih brojeva nego prirodnih što je dovelo do zaključka da postoje različite vrednosti beskonačnosti.

Prema Kantoru dva skupa   i   su iste veličine, tj. kardinalnosti, ako se elementi skupa   mogu 1-u-1 preslikati u elemente skupa  . Na taj način skupovi   prirodnih i realnih   brojeva imaju različite kardinalnosti. Time je Kantor definisao njegovu hipotezu kontinuuma koja tvrdi da svaki beskonačni skup realnih brojeva je ili prebrojiv ili nije tj. ima kardinalnost skupa  , ili kardinalnost skupa  . Do danas, Kantorova hipoteza kontinuuma niti je oborena niti dokazana. Pokušaji da se ova hipoteza dokaže doveli su do saznanja da se sama hipoteza ne može niti dokazati niti oboriti na osnovi postojeće aksiomatike moderne teorije skupova.

Naivno shvatanje da skup mora da ima uvek neko svojstvo ili karakteristiku dovelo je do otkrića tzv. Raselovog (engl. Bertrand Russell) paradoksa (koji je pre Rasela bio poznat Cermelou (nem. Ernst Zermelo)) koji glasi:

Neka je dato svojstvo skupova po kome skupovi nisu elementi samih sebe. Ako ovo svojstvo definiše skup, nazovimo ga skup  , tada je   element samoga sebe ako nije element samoga sebe.

Na taj način neke kolekcije kao što su kolekcija svih skupova, kolekcija svih ordinalnih brojeva, kolekcija svih kardinalnih brojeva, nisu skupovi. Ovakve kolekcije se zovu prave klase.

Da bi se izbegli paradoksi i dobila čvrsta osnova teorije, teorija skupova je aksiomatizovana. Prvu aksiomatizaciju teorije je dao Cermelo koji je izbegao Raselov paradoks aksiomom razdvajanja koja kvantificira svojstva skupa preko tvrdnje drugog reda. Skolem (norv. Thoralf Skolem) i Frenkel (engl. Abraham Fraenkel) su aksiomu razdvajanja formalizovali formulama prvog reda a zatim uveli aksiomu zamene koja je bila nužna da bi se podupro razvoj teorije transfinitnih ordinala i kardinala. Dalji rad u cilju poboljšanja Cermelove teorije je bio na dokazivanju osnovnih činjenica teorije skupova kao što je tvrdnja da se svaki skup sadrži u nekom tranzitivnom skupu, tj. skupu koji sadrži sve elemente sopstvenih elemenata. Fon Nojman (engl. John von Neumann) je dodao aksiomu osnove čime je stvoren standardni aksiomatički sistem teorije skupova koji se zove Cermelo-Frenkel aksiome sa aksiomom izbora.

Aksiome teorije skupova uredi

U ovoj sekciji izložićemo, u kratkim crtama, Cermelo-Frenkel aksiome sa aksiomom izbora (CFI). Cela aksiomatika će biti izložena u logici prvog reda sa samo jednom binarnom relacijom pripadnosti  .

  • Aksioma proširenja:
    • Dva skupa   i   su jednaki ako imaju iste elemente.
  • Aksioma para:
    • Ako su dati skupovi   i  , tada postoji skup   koji sadrži samo   i   kao svoje elemente. Postoji takođe skup   čiji je jedan jedini element skup  .
  • Aksioma partitivnog skupa:
    • Za svaki skup   postoji skup   koji se zove partitivni skup skupa   čiji su elementi svi podskupovi skupa  .
  • Aksioma unije:
    • Za svaku skup   postoji skup   koji se zove unija skupa   a čiji su elementi elementi skupa  .
  • Aksioma beskonačnosti:
    • Postoji beskonačan skup, tj. postoji skup   koji sadrži   i takav da ako je   tada je  .
  • Aksioma razdvajanja:
    • Za svaki skup   i svako dato svojstvo skupa postoji skup koji sadrži elemente skupa   koji imaju pomenuto svojstvo skupa. Svojstvo skupa je definisano formulom   u logici prvog reda teorije skupova. Na taj je način aksiom razdvajanja u suštini aksiom šema tj. beskonačna lista aksioma, gde je svaka aksioma data formulom  .
  • Aksioma zamene:
    • Za svaku funkciju koja se može definisati na skupu   kao svom domenu postoji skup čiji su elementi sve vrednosti ove funkcije. Zamena je takođe aksioma šema jer su funkcije definisane formulama.
  • Aksioma osnove (regularnosti):
    • Svaki neprazni skup   sadrži neki  -minimalni element tj.element koji ne sadrži ni jedan drugi element skupa  .
  • Aksioma izbora:
    • Za svaki skup   uzajamno disjunktnih nepraznih skupova postoji skup koji sadrži tačno jedan element iz svakog skupa koji pripada skupu  .

Aksioma praznog skupa nije uključena u gornju listu jer se ova aksioma može izvesti iz Aksiome beskonačnosti. Problemi i sumnje u valjanost ove aksiome potiču od činjenice da aksioma tvrdi da postoje skupovi koji ne mogu biti eksplicitno definisani. Ove sumnje su uklonjene Gedelovim (nem. Kurt Gödel) dokazom da je aksioma izbora saglasna sa ostalim Cermelo-Frenkel aksiomama. Aksioma izbora je ekvivalentna principu dobre uređenosti koji tvrdi da svaki skup može da se dobro uredi tj. svaki skup može da se linearno uredi tako da svaki njegov neprazan podskup ima neki minimalni element.

U teoriji skupova se pored simbola   koriste pomoćni simboli podskupa  , unije  , preseka  , uređenog para   i Dekartovog proizvoda   koji nisu nužni. Detaljnije o ovim pomoćnim simbolima vidi u Osnove teorije skupova,

Teorija transfinitnih ordinala i kardinala uredi

Cermelo-Frenkelove aksiome (CF) zajedno sa aksiomom izbora mogu se koristiti pri razvoju Kantorove teorije transfinitnih (tj. beskonačnih) tipova uređenja: ordinala i kardinala.

Prvi ordinalni broj je  . Ako je dat ordinal  , onda je njegov neposredni sledbenik   definisan kao skup  . Ako je dat neprazan skup   ordinala takav da je za svako   njegov sledbenik   takođe u  , može se dobiti granični ordinal  . Lako se pokazuje da je svaki ordinal strogo dobro uređen preko relacije  , tj. linearno je uređen preko   i ne postoji beskonačno  -opadajući niz. Svaki dobro uređeni skup je izomorfan nekom jedinstvenom ordinalu koji se zove tip uređenja.

Operacije sabiranja i množenja prirodnih brojeva se mogu proširiti na ordinale. Ordinal   je tip uređenja dobrog uređenja koje se dobija spajanjem dobro uređenog skupa tipa uređenja   i dobro uređenog skupa tipa uređenja  . Niz ordinala dobro uređenih po  , je

 

Ordinali zadovoljavaju princip transfinitne indukcije: pretpostavimo da je   klasa ordinala takva da kad god   sadrži sve ordinale   koji su manji od nekog ordinala  , tada je   takođe u  . Na taj način klasa   sadrži sve ordinale. Koristeći transfinitnu indukciju može se u CFI (za šta je potrebna i aksioma zamene) dokazati princip transfinitne rekurzije koji kaže da ako je data klasa-funkcija koja se može definisati  , onda se može definisati klasa-funkcija  , gde je   klasa svih ordinala, takva da  je vrednost funkcije   primenjene na funkciju   koja je ograničena na  .   je univerzum svih skupova definisan u sledećoj sekciji. Transfinitna rekurzija se koristi, na primer, da se definišu aritmetičke operacije sabiranja, množenja i eksponenta na ordinalima.

Bilo koji beskonačni skup je prebrojiv ako se može 1-u-1 preslikati u  , tj. koji je bijektivan sa  . Svi ordinali koje smo spomenuli gore su ili konačni ili prebrojivi. Skup svih konačnih i prebrojivih ordinala je takođe ordinal, označen sa  , koji nije prebrojiv. Na isti način skup svih ordinala koji su bijektivni sa nekim ordinalom koji je manji od ordinala   je takođe ordinal, označen sa  , i koji nije bijektivan sa  , itd.

Kardinal se definiše kao ordinal koji nije bijektivan sa nekim manjim ordinalom. Time je svaki konačni ordinal i kardinal. Beskonačni kardinali se zapisuju slovom alef ( ) i indeksiraju ordinalima.

 

Za svaki kardinal postoji veći kardinal i granica rastućeg niza kardinala je opet kardinal. Klasa svih kardinala nije skup nego prava klasa.

Beskonačni kardinal   je regularan ako nije unija manje od   manjih kardinala.   je regularni kardinal kao i svi njegovi beskonačni sledbenici kardinali kao što je  . Ne-regularni beskonačni kardinal se zove singularni kardinal. Prvi singularni kardinal je   i unija je prebrojivo mnogo manjih kardinala, tj.  .

Kofinalnost kardinala  , u oznaci  , je najmanji kardinal   takav da je   unija  -mnogo manjih ordinala, tj.  .

Po aksiomi izbora svaki skup   se može dobro urediti, tj. bijektvan je sa nekim jedinstvenim kardinalom koji se zove kardinalnost skupa  . Suma   dvaju kardinala   i   se definiše kao kardinalnost skupa koji je unija bilo koja dva disjunktna skupa gde je kardinalnost jednoga   a drugoga  . Proizvod   se definiše kao kardinalnost Dekartovog proizvoda  . Operacije sume i proizvoda dvaju beskonačnih kardinala   i   se definišu kao  .

Eksponent kardinala je izuzetno kompleksan problem pa ćemo ga izostaviti.

Univerzum svih skupova uredi

CF aksiome, sa izuzetkom aksiome proširivosti, služe pri gradnji kumulativne hijerarhije skupova. Koristeći transfinitnu rekurziju definišemo klasu-funkciju koja koja dodeljuje svakom ordinalu   skup   na sledeći način:

 
 
  kad god je   granični ordinal.

Aksioma partitivnog skupa se koristi da se od   dobije  . Aksiome zamene i unije se koriste da se dobije   za   granični ordinal. Aksioma beskonačnosti se koristi da se dokaže postojanje   a time i transfinitni niz ordinala. Aksioma osnove, uz pretpostavku važenja ostalih aksioma, je ekvivalentna tvrdnji da svaki skup pripada nekom   za neki ordinal  . Na taj način CF dokazuje da teoretski univerzalni skup, označen sa  , je unija svih  , gde je   neki ordinal.

Prava klasa  , zajedno sa relacijom  , zadovoljava sve CFI aksiome a je time i jedan model CFI. CFI nije kompletan opis što ćemo upravo pokazati.

Dokazano i značajno svojstvo   koje se može dokazati pomoću CFI je takozvani princip refleksije. Za svaku formulu   CFI dokazuje da postoji neki ordinal   takav da ga   reflektuje, tj za svaki  

  važi u   ako i samo ako  ) važi u  

Otud   se ne može opisati nekom rečenicom, pošto bilo koja rečenica koja važi u   mora da takođe važi u nekom inicijalnom segmentu od  . Otud dolazimo do zaključka da CFI nije finalno aksiomatizovana jer bi u protivnom CFI dokazala da, za neograničeno mnogo ordinala  ,   je neki model CFI, što protivreči drugoj Gedelovoj teoremi.

Princip refleksije je suština CF teorije skupova pošto je ovaj princip ekvivalentan aksiomama beskonačnosti i zamene uz važenje ostalih CF aksioma.

Teorija skupova kao osnova matematike uredi

Cela matematika se može formalizovati unutar CFI što znači da je moguće samu matematiku proučavati matematički. Svakom pitanju o postojanju nekog matematičkog objekta ili mogućnosti dokazivanja neke pretpostavke ili hipoteze može se dati precizna matematička formulacija. Pitanje o mogućnosti dokaza neke matematičke tvrdnje postaje smisleno matematičko pitanje. Kad je već reč o nerešenom matematičkom problemu ili dilemi ima smisla da se upitamo da li je moguće rešiti ih unutar formalnog CFI sistema. Odgovor može ne biti ni da ni ne jer je CFI nekompletan sistem.

Navedimo nekoliko primera gde je moguće formalizovati matematičke objekte unutar CFI. Skup prirodnih brojeva se može identifikovati sa konačnim ordinalima, tj.  . Skup celih brojeva   može da se definiše kao skup klasa ekvivalencije parova prirodnih brojeva gde je relacija ekvivalencije   ako i samo ako  . Ako se svaki prirodni broj   identifikuje sa klasom ekvivalencije para   onda se operacije sume i proizvoda prirodnih brojeva mogu prirodno proširiti na skup celih brojeva  . Skup racionalnih brojeva   se može da definiše kao skup klasa ekvivalencije parova   celih brojeva pri čemu je   i pri relaciji ekvivalencije   ako i samo ako je  . Operacije sume i proizvoda na   mogu se prirodno proširiti na  . Poredak   na skupu racionalnih brojeva je definisan sa:   ako i samo ako postoji   takvo da je  . Realni brojevi se mogu definisati kao Dedekindovi preseci u  , tj. realni broj je dat parom   dvaju disjunktnih nepraznih skupova takvih da je  , i   za svako   i  . Operacije sume, proizvoda i uređenosti   na  , se mogu proširiti na skup realnih brojeva  .

CFI model je par   gde je   neprazan skup a   je binarna relacija na   takva da su sve CFI aksiome istinite ako se interpretiraju u  . Na taj način ako je   neka tvrdnja u teoriji skupova onda se može naći neki CFI model za koji je tvrdnja   važeća, tada se negacija   ne može dokazati u CFI. Ako se može naći model za   i model za  , tada se   ne može dokazati niti oboriti u CFI. U tom se slučaju kaže da je   nezavisna od CFI. Gedelova teorema kompletnosti logike prvog reda kaže da je CFI konsistentna aksiomatika ako se može naći CFI model. Konsistentnost ovde znači da CFI aksiome nisu protivrečne jedna drugoj.

Gedelove teoreme nekompletnosti pokazuju da bilo koji formalni sistem u matematici koji ima smisla je obavezno nekompletan. Ako je CFI konsistentan onda u CFI postoje tvrdnje koje su nezavisne od CFI. Gedelova druga teorema nekompletnosti dokazuje da formalna aritmetička tvrdnja CON(CFI) koja pokazuje da je CFI konsistentan sistem ne može biti dokazana u CFI kao što ne može biti dokazana njena negacija, tj. CON(CFI) je nezavisna od CFI.

Ako je CFI konsistentan, tada nije moguće dokazati postojanje CFI modela jer bi u suprotnom bilo moguće da se u CFI dokaže konsistentnost samog CFI. Na taj način je dokaz konsistentnosti ili nezavisnosti neke tvrdnje   uvek dokaz relativne konsistentnosti, tj. ako se pretpostavi da je CFI konsistentan onda CFI ima model a time se može konstruisati drugi model za koju je tvrdnja   istinita.

Lebeg (franc. Henri Léon Lebesgue) je uveo pojam mere skupa kao apstrakciju dužine za skupove na realnoj pravoj. CFI pokazuje da postoje skupovi koji nemaju Lebegovu meru što praktično znači da za verovatnoću na realnim brojevima postoje događaji bez verovatnoće i da se svaki događaj može umetnuti između dva događaja bez verovatnoće. Da li i koje posledice ova činjenica ima u naukama koje se bave realnim svetom, niko još nije razmišljao.

Vidi još uredi

Reference uredi

  1. ^ Cantor, Georg (1874). Ueber eine Eigenschaft des Inbegriffes aller reellen algebraischen Zahlen. J. Reine Angew. Math. 77. str. 258—262. doi:10.1515/crll.1874.77.258. 
  2. ^ Johnson, Philip (1972), A History of Set Theory, Prindle, Weber & Schmidt, ISBN 978-0-87150-154-7 
  3. ^ Bolzano, Bernard (1975). Berg, Jan, ur. Einleitung zur Größenlehre und erste Begriffe der allgemeinen Größenlehre. Bernard-Bolzano-Gesamtausgabe, edited by Eduard Winter et al. Vol. II, A, 7. Stuttgart, Bad Cannstatt: Friedrich Frommann Verlag. str. 152. ISBN 978-3-7728-0466-3. 
  4. ^ William Henry Young & Grace Chisholm Young (1906) Theory of Sets of Points, link from Internet Archive

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi