Как найти порядковый номер числа

This article is about the mathematical concept. For number words denoting a position in a sequence («first», «second», «third», etc.), see Ordinal numeral.

Representation of the ordinal numbers up to ωω. Each turn of the spiral represents one power of ω.

In set theory, an ordinal number, or ordinal, is a generalization of ordinal numerals (first, second, nth, etc.) aimed to extend enumeration to infinite sets.[1]

A finite set can be enumerated by successively labeling each element with the least natural number that has not been previously used. To extend this process to various infinite sets, ordinal numbers are defined more generally as linearly ordered labels that include the natural numbers and have the property that every set of ordinals has a least element (this is needed for giving a meaning to «the least unused element»).[2] This more general definition allows us to define an ordinal number omega (omega) that is greater than every natural number, along with ordinal numbers omega +1, {displaystyle omega +2}, etc., which are even greater than omega .

A linear order such that every subset has a least element is called a well-order. The axiom of choice implies that every set can be well-ordered, and given two well-ordered sets, one is isomorphic to an initial segment of the other. So ordinal numbers exist and are essentially unique.

Ordinal numbers are distinct from cardinal numbers, which measure the size of sets. Although the distinction between ordinals and cardinals is not always apparent on finite sets (one can go from one to the other just by counting labels), they are very different in the infinite case, where different infinite ordinals can correspond to sets having the same cardinal. Like other kinds of numbers, ordinals can be added, multiplied, and exponentiated, although none of these operations are commutative.

Ordinals were introduced by Georg Cantor in 1883[3] in order to accommodate infinite sequences and classify derived sets, which he had previously introduced in 1872 while studying the uniqueness of trigonometric series.[4]

Ordinals extend the natural numbers[edit]


A natural number (which, in this context, includes the number 0) can be used for two purposes: to describe the size of a set, or to describe the position of an element in a sequence. When restricted to finite sets, these two concepts coincide, since all linear orders of a finite set are isomorphic.

When dealing with infinite sets, however, one has to distinguish between the notion of size, which leads to cardinal numbers, and the notion of position, which leads to the ordinal numbers described here. This is because while any set has only one size (its cardinality), there are many nonisomorphic well-orderings of any infinite set, as explained below.

Whereas the notion of cardinal number is associated with a set with no particular structure on it, the ordinals are intimately linked with the special kind of sets that are called well-ordered. A well-ordered set is a totally ordered set in which every non-empty subset has a least element (a totally ordered set is an ordered set such that, given two distinct elements, one is less than the other). Equivalently, assuming the axiom of dependent choice, it is a totally ordered set without any infinite decreasing sequence — though there may be infinite increasing sequences. Ordinals may be used to label the elements of any given well-ordered set (the smallest element being labelled 0, the one after that 1, the next one 2, «and so on»), and to measure the «length» of the whole set by the least ordinal that is not a label for an element of the set. This «length» is called the order type of the set.

Any ordinal is defined by the set of ordinals that precede it. In fact, the most common definition of ordinals identifies each ordinal as the set of ordinals that precede it. For example, the ordinal 42 is generally identified as the set {0, 1, 2, …, 41}. Conversely, any set S of ordinals that is downward closed — meaning that for any ordinal α in S and any ordinal β < α, β is also in S — is (or can be identified with) an ordinal.

This definition of ordinals in terms of sets allows for infinite ordinals. The smallest infinite ordinal is omega , which can be identified with the set of natural numbers (so that the ordinal associated with every natural number precedes omega ). Indeed, the set of natural numbers is well-ordered—as is any set of ordinals—and since it is downward closed, it can be identified with the ordinal associated with it.

A graphical «matchstick» representation of the ordinal ω². Each stick corresponds to an ordinal of the form ω·m+n where m and n are natural numbers.

Perhaps a clearer intuition of ordinals can be formed by examining a first few of them: as mentioned above, they start with the natural numbers, 0, 1, 2, 3, 4, 5, … After all natural numbers comes the first infinite ordinal, ω, and after that come ω+1, ω+2, ω+3, and so on. (Exactly what addition means will be defined later on: just consider them as names.) After all of these come ω·2 (which is ω+ω), ω·2+1, ω·2+2, and so on, then ω·3, and then later on ω·4. Now the set of ordinals formed in this way (the ω·m+n, where m and n are natural numbers) must itself have an ordinal associated with it: and that is ω2. Further on, there will be ω3, then ω4, and so on, and ωω, then ωωω, then later ωωωω, and even later ε0 (epsilon nought) (to give a few examples of relatively small—countable—ordinals). This can be continued indefinitely (as every time one says «and so on» when enumerating ordinals, it defines a larger ordinal). The smallest uncountable ordinal is the set of all countable ordinals, expressed as ω1 or Omega .[5][6]

Definitions[edit]

Well-ordered sets[edit]

In a well-ordered set, every non-empty subset contains a distinct smallest element. Given the axiom of dependent choice, this is equivalent to saying that the set is totally ordered and there is no infinite decreasing sequence (the latter being easier to visualize). In practice, the importance of well-ordering is justified by the possibility of applying transfinite induction, which says, essentially, that any property that passes on from the predecessors of an element to that element itself must be true of all elements (of the given well-ordered set). If the states of a computation (computer program or game) can be well-ordered—in such a way that each step is followed by a «lower» step—then the computation will terminate.

It is inappropriate to distinguish between two well-ordered sets if they only differ in the «labeling of their elements», or more formally: if the elements of the first set can be paired off with the elements of the second set such that if one element is smaller than another in the first set, then the partner of the first element is smaller than the partner of the second element in the second set, and vice versa. Such a one-to-one correspondence is called an order isomorphism, and the two well-ordered sets are said to be order-isomorphic or similar (with the understanding that this is an equivalence relation).

Formally, if a partial order ≤ is defined on the set S, and a partial order ≤’ is defined on the set S’ , then the posets (S,≤) and (S’ ,≤’) are order isomorphic if there is a bijection f that preserves the ordering. That is, f(a) ≤’ f(b) if and only if ab. Provided there exists an order isomorphism between two well-ordered sets, the order isomorphism is unique: this makes it quite justifiable to consider the two sets as essentially identical, and to seek a «canonical» representative of the isomorphism type (class). This is exactly what the ordinals provide, and it also provides a canonical labeling of the elements of any well-ordered set. Every well-ordered set (S,<) is order-isomorphic to the set of ordinals less than one specific ordinal number under their natural ordering. This canonical set is the order type of (S,<).

Essentially, an ordinal is intended to be defined as an isomorphism class of well-ordered sets: that is, as an equivalence class for the equivalence relation of «being order-isomorphic». There is a technical difficulty involved, however, in the fact that the equivalence class is too large to be a set in the usual Zermelo–Fraenkel (ZF) formalization of set theory. But this is not a serious difficulty. The ordinal can be said to be the order type of any set in the class.

Definition of an ordinal as an equivalence class[edit]

The original definition of ordinal numbers, found for example in the Principia Mathematica, defines the order type of a well-ordering as the set of all well-orderings similar (order-isomorphic) to that well-ordering: in other words, an ordinal number is genuinely an equivalence class of well-ordered sets. This definition must be abandoned in ZF and related systems of axiomatic set theory because these equivalence classes are too large to form a set. However, this definition still can be used in type theory and in Quine’s axiomatic set theory New Foundations and related systems (where it affords a rather surprising alternative solution to the Burali-Forti paradox of the largest ordinal).

Von Neumann definition of ordinals[edit]

First several von Neumann ordinals

0 = {} =
1 = {0} = {∅}
2 = {0,1} = {∅,{∅}}
3 = {0,1,2} = {∅,{∅},{∅,{∅}}}
4 = {0,1,2,3} = {∅,{∅},{∅,{∅}},{∅,{∅},{∅,{∅}}}}

Rather than defining an ordinal as an equivalence class of well-ordered sets, it will be defined as a particular well-ordered set that (canonically) represents the class. Thus, an ordinal number will be a well-ordered set; and every well-ordered set will be order-isomorphic to exactly one ordinal number.

For each well-ordered set T, {displaystyle amapsto T_{<a}} defines an order isomorphism between T and the set of all subsets of T having the form {displaystyle T_{<a}:={xin Tmid x<a}} ordered by inclusion. This motivates the standard definition, suggested by John von Neumann at the age of 19, now called definition of von Neumann ordinals: «each ordinal is the well-ordered set of all smaller ordinals.» In symbols, {displaystyle lambda =[0,lambda )}.[7][8] Formally:

A set S is an ordinal if and only if S is strictly well-ordered with respect to set membership and every element of S is also a subset of S.

The natural numbers are thus ordinals by this definition. For instance, 2 is an element of 4 = {0, 1, 2, 3}, and 2 is equal to {0, 1} and so it is a subset of {0, 1, 2, 3}.

It can be shown by transfinite induction that every well-ordered set is order-isomorphic to exactly one of these ordinals, that is, there is an order preserving bijective function between them.

Furthermore, the elements of every ordinal are ordinals themselves. Given two ordinals S and T, S is an element of T if and only if S is a proper subset of T. Moreover, either S is an element of T, or T is an element of S, or they are equal. So every set of ordinals is totally ordered. Further, every set of ordinals is well-ordered. This generalizes the fact that every set of natural numbers is well-ordered.

Consequently, every ordinal S is a set having as elements precisely the ordinals smaller than S. For example, every set of ordinals has a supremum, the ordinal obtained by taking the union of all the ordinals in the set. This union exists regardless of the set’s size, by the axiom of union.

The class of all ordinals is not a set. If it were a set, one could show that it was an ordinal and thus a member of itself, which would contradict its strict ordering by membership. This is the Burali-Forti paradox. The class of all ordinals is variously called «Ord», «ON», or «∞».

An ordinal is finite if and only if the opposite order is also well-ordered, which is the case if and only if each of its non-empty subsets has a maximum.

Other definitions[edit]

There are other modern formulations of the definition of ordinal. For example, assuming the axiom of regularity, the following are equivalent for a set x:

  • x is a (von Neumann) ordinal,
  • x is a transitive set, and set membership is trichotomous on x,
  • x is a transitive set totally ordered by set inclusion,
  • x is a transitive set of transitive sets.

These definitions cannot be used in non-well-founded set theories. In set theories with urelements, one has to further make sure that the definition excludes urelements from appearing in ordinals.

Transfinite sequence[edit]

If α is any ordinal and X is a set, an α-indexed sequence of elements of X is a function from α to X. This concept, a transfinite sequence (if α is infinite) or ordinal-indexed sequence, is a generalization of the concept of a sequence. An ordinary sequence corresponds to the case α = ω, while a finite α corresponds to a tuple, a.k.a. string.

Transfinite induction[edit]

Transfinite induction holds in any well-ordered set, but it is so important in relation to ordinals that it is worth restating here.

Any property that passes from the set of ordinals smaller than a given ordinal α to α itself, is true of all ordinals.

That is, if P(α) is true whenever P(β) is true for all β < α, then P(α) is true for all α. Or, more practically: in order to prove a property P for all ordinals α, one can assume that it is already known for all smaller β < α.

Transfinite recursion[edit]

Transfinite induction can be used not only to prove things, but also to define them. Such a definition is normally said to be by transfinite recursion – the proof that the result is well-defined uses transfinite induction. Let F denote a (class) function F to be defined on the ordinals. The idea now is that, in defining F(α) for an unspecified ordinal α, one may assume that F(β) is already defined for all β < α and thus give a formula for F(α) in terms of these F(β). It then follows by transfinite induction that there is one and only one function satisfying the recursion formula up to and including α.

Here is an example of definition by transfinite recursion on the ordinals (more will be given later): define function F by letting F(α) be the smallest ordinal not in the set {F(β) | β < α}, that is, the set consisting of all F(β) for β < α. This definition assumes the F(β) known in the very process of defining F; this apparent vicious circle is exactly what definition by transfinite recursion permits. In fact, F(0) makes sense since there is no ordinal β < 0, and the set {F(β) | β < 0} is empty. So F(0) is equal to 0 (the smallest ordinal of all). Now that F(0) is known, the definition applied to F(1) makes sense (it is the smallest ordinal not in the singleton set {F(0)} = {0}), and so on (the and so on is exactly transfinite induction). It turns out that this example is not very exciting, since provably F(α) = α for all ordinals α, which can be shown, precisely, by transfinite induction.

Successor and limit ordinals[edit]

Any nonzero ordinal has the minimum element, zero. It may or may not have a maximum element. For example, 42 has maximum 41 and ω+6 has maximum ω+5. On the other hand, ω does not have a maximum since there is no largest natural number. If an ordinal has a maximum α, then it is the next ordinal after α, and it is called a successor ordinal, namely the successor of α, written α+1. In the von Neumann definition of ordinals, the successor of α is alpha cup {alpha } since its elements are those of α and α itself.[7]

A nonzero ordinal that is not a successor is called a limit ordinal. One justification for this term is that a limit ordinal is the limit in a topological sense of all smaller ordinals (under the order topology).

When langle alpha _{iota }|iota <gamma rangle is an ordinal-indexed sequence, indexed by a limit gamma and the sequence is increasing, i.e. {displaystyle alpha _{iota }<alpha _{rho }} whenever {displaystyle iota <rho ,} its limit is defined as the least upper bound of the set {displaystyle {alpha _{iota }|iota <gamma },} that is, the smallest ordinal (it always exists) greater than any term of the sequence. In this sense, a limit ordinal is the limit of all smaller ordinals (indexed by itself). Put more directly, it is the supremum of the set of smaller ordinals.

Another way of defining a limit ordinal is to say that α is a limit ordinal if and only if:

There is an ordinal less than α and whenever ζ is an ordinal less than α, then there exists an ordinal ξ such that ζ < ξ < α.

So in the following sequence:

0, 1, 2, …, ω, ω+1

ω is a limit ordinal because for any smaller ordinal (in this example, a natural number) there is another ordinal (natural number) larger than it, but still less than ω.

Thus, every ordinal is either zero, or a successor (of a well-defined predecessor), or a limit. This distinction is important, because many definitions by transfinite recursion rely upon it. Very often, when defining a function F by transfinite recursion on all ordinals, one defines F(0), and F(α+1) assuming F(α) is defined, and then, for limit ordinals δ one defines F(δ) as the limit of the F(β) for all β<δ (either in the sense of ordinal limits, as previously explained, or for some other notion of limit if F does not take ordinal values). Thus, the interesting step in the definition is the successor step, not the limit ordinals. Such functions (especially for F nondecreasing and taking ordinal values) are called continuous. Ordinal addition, multiplication and exponentiation are continuous as functions of their second argument (but can be defined non-recursively).

Indexing classes of ordinals[edit]

Any well-ordered set is similar (order-isomorphic) to a unique ordinal number alpha ; in other words, its elements can be indexed in increasing fashion by the ordinals less than alpha . This applies, in particular, to any set of ordinals: any set of ordinals is naturally indexed by the ordinals less than some alpha . The same holds, with a slight modification, for classes of ordinals (a collection of ordinals, possibly too large to form a set, defined by some property): any class of ordinals can be indexed by ordinals (and, when the class is unbounded in the class of all ordinals, this puts it in class-bijection with the class of all ordinals). So the gamma -th element in the class (with the convention that the «0-th» is the smallest, the «1-st» is the next smallest, and so on) can be freely spoken of. Formally, the definition is by transfinite induction: the gamma -th element of the class is defined (provided it has already been defined for all beta <gamma ), as the smallest element greater than the beta -th element for all beta <gamma .

This could be applied, for example, to the class of limit ordinals: the gamma -th ordinal, which is either a limit or zero is omega cdot gamma (see ordinal arithmetic for the definition of multiplication of ordinals). Similarly, one can consider additively indecomposable ordinals (meaning a nonzero ordinal that is not the sum of two strictly smaller ordinals): the gamma -th additively indecomposable ordinal is indexed as {displaystyle omega ^{gamma }}. The technique of indexing classes of ordinals is often useful in the context of fixed points: for example, the gamma -th ordinal alpha such that omega ^{alpha }=alpha is written varepsilon _{gamma }. These are called the «epsilon numbers».

Closed unbounded sets and classes[edit]

A class C of ordinals is said to be unbounded, or cofinal, when given any ordinal alpha , there is a beta in C such that alpha <beta (then the class must be a proper class, i.e., it cannot be a set). It is said to be closed when the limit of a sequence of ordinals in the class is again in the class: or, equivalently, when the indexing (class-)function F is continuous in the sense that, for delta a limit ordinal, F(delta ) (the delta -th ordinal in the class) is the limit of all F(gamma ) for gamma <delta ; this is also the same as being closed, in the topological sense, for the order topology (to avoid talking of topology on proper classes, one can demand that the intersection of the class with any given ordinal is closed for the order topology on that ordinal, this is again equivalent).

Of particular importance are those classes of ordinals that are closed and unbounded, sometimes called clubs. For example, the class of all limit ordinals is closed and unbounded: this translates the fact that there is always a limit ordinal greater than a given ordinal, and that a limit of limit ordinals is a limit ordinal (a fortunate fact if the terminology is to make any sense at all!). The class of additively indecomposable ordinals, or the class of varepsilon _{cdot } ordinals, or the class of cardinals, are all closed unbounded; the set of regular cardinals, however, is unbounded but not closed, and any finite set of ordinals is closed but not unbounded.

A class is stationary if it has a nonempty intersection with every closed unbounded class. All superclasses of closed unbounded classes are stationary, and stationary classes are unbounded, but there are stationary classes that are not closed and stationary classes that have no closed unbounded subclass (such as the class of all limit ordinals with countable cofinality). Since the intersection of two closed unbounded classes is closed and unbounded, the intersection of a stationary class and a closed unbounded class is stationary. But the intersection of two stationary classes may be empty, e.g. the class of ordinals with cofinality ω with the class of ordinals with uncountable cofinality.

Rather than formulating these definitions for (proper) classes of ordinals, one can formulate them for sets of ordinals below a given ordinal alpha : A subset of a limit ordinal alpha is said to be unbounded (or cofinal) under alpha provided any ordinal less than alpha is less than some ordinal in the set. More generally, one can call a subset of any ordinal alpha cofinal in alpha provided every ordinal less than alpha is less than or equal to some ordinal in the set. The subset is said to be closed under alpha provided it is closed for the order topology in alpha , i.e. a limit of ordinals in the set is either in the set or equal to alpha itself.

Arithmetic of ordinals[edit]

There are three usual operations on ordinals: addition, multiplication, and (ordinal) exponentiation. Each can be defined in essentially two different ways: either by constructing an explicit well-ordered set that represents the operation or by using transfinite recursion. The Cantor normal form provides a standardized way of writing ordinals. It uniquely represents each ordinal as a finite sum of ordinal powers of ω. However, this cannot form the basis of a universal ordinal notation due to such self-referential representations as ε0 = ωε0. The so-called «natural» arithmetical operations retain commutativity at the expense of continuity.

Interpreted as nimbers (a game-theoretic variant of numbers), ordinals are also subject to nimber arithmetic operations.

Ordinals and cardinals[edit]

Initial ordinal of a cardinal[edit]

Each ordinal associates with one cardinal, its cardinality. If there is a bijection between two ordinals (e.g. ω = 1 + ω and ω + 1 > ω), then they associate with the same cardinal. Any well-ordered set having an ordinal as its order-type has the same cardinality as that ordinal. The least ordinal associated with a given cardinal is called the initial ordinal of that cardinal. Every finite ordinal (natural number) is initial, and no other ordinal associates with its cardinal. But most infinite ordinals are not initial, as many infinite ordinals associate with the same cardinal. The axiom of choice is equivalent to the statement that every set can be well-ordered, i.e. that every cardinal has an initial ordinal. In theories with the axiom of choice, the cardinal number of any set has an initial ordinal, and one may employ the Von Neumann cardinal assignment as the cardinal’s representation. (However, we must then be careful to distinguish between cardinal arithmetic and ordinal arithmetic.) In set theories without the axiom of choice, a cardinal may be represented by the set of sets with that cardinality having minimal rank (see Scott’s trick).

One issue with Scott’s trick is that it identifies the cardinal number {displaystyle 0} with {displaystyle {emptyset }}, which in some formulations is the ordinal number 1. It may be clearer to apply Von Neumann cardinal assignment to finite cases and to use Scott’s trick for sets which are infinite or do not admit well orderings. Note that cardinal and ordinal arithmetic agree for finite numbers.

The α-th infinite initial ordinal is written omega _{alpha }, it is always a limit ordinal. Its cardinality is written aleph _{alpha }. For example, the cardinality of ω0 = ω is aleph _{0}, which is also the cardinality of ω2 or ε0 (all are countable ordinals). So ω can be identified with aleph _{0}, except that the notation aleph _{0} is used when writing cardinals, and ω when writing ordinals (this is important since, for example, aleph _{0}^{2} = aleph _{0} whereas {displaystyle omega ^{2}>omega }). Also, omega _{1} is the smallest uncountable ordinal (to see that it exists, consider the set of equivalence classes of well-orderings of the natural numbers: each such well-ordering defines a countable ordinal, and omega _{1} is the order type of that set), omega _{2} is the smallest ordinal whose cardinality is greater than aleph _{1}, and so on, and omega _{omega } is the limit of the omega _{n} for natural numbers n (any limit of cardinals is a cardinal, so this limit is indeed the first cardinal after all the omega _{n}).

Cofinality[edit]

The cofinality of an ordinal alpha is the smallest ordinal delta that is the order type of a cofinal subset of alpha . Notice that a number of authors define cofinality or use it only for limit ordinals. The cofinality of a set of ordinals or any other well-ordered set is the cofinality of the order type of that set.

Thus for a limit ordinal, there exists a delta -indexed strictly increasing sequence with limit alpha . For example, the cofinality of ω2 is ω, because the sequence ω·m (where m ranges over the natural numbers) tends to ω2; but, more generally, any countable limit ordinal has cofinality ω. An uncountable limit ordinal may have either cofinality ω as does omega _{omega } or an uncountable cofinality.

The cofinality of 0 is 0. And the cofinality of any successor ordinal is 1. The cofinality of any limit ordinal is at least omega .

An ordinal that is equal to its cofinality is called regular and it is always an initial ordinal. Any limit of regular ordinals is a limit of initial ordinals and thus is also initial even if it is not regular, which it usually is not. If the Axiom of Choice, then omega _{alpha +1} is regular for each α. In this case, the ordinals 0, 1, omega , omega _{1}, and omega _{2} are regular, whereas 2, 3, omega _{omega }, and ωω·2 are initial ordinals that are not regular.

The cofinality of any ordinal α is a regular ordinal, i.e. the cofinality of the cofinality of α is the same as the cofinality of α. So the cofinality operation is idempotent.

Some «large» countable ordinals[edit]

As mentioned above (see Cantor normal form), the ordinal ε0 is the smallest satisfying the equation omega ^{alpha }=alpha , so it is the limit of the sequence 0, 1, omega , omega ^{omega }, omega ^{omega ^{omega }}, etc. Many ordinals can be defined in such a manner as fixed points of certain ordinal functions (the iota -th ordinal such that omega ^{alpha }=alpha is called varepsilon _{iota }, then one could go on trying to find the iota -th ordinal such that varepsilon _{alpha }=alpha , «and so on», but all the subtlety lies in the «and so on»). One could try to do this systematically, but no matter what system is used to define and construct ordinals, there is always an ordinal that lies just above all the ordinals constructed by the system. Perhaps the most important ordinal that limits a system of construction in this manner is the Church–Kleene ordinal, omega _{1}^{mathrm {CK} } (despite the omega _{1} in the name, this ordinal is countable), which is the smallest ordinal that cannot in any way be represented by a computable function (this can be made rigorous, of course). Considerably large ordinals can be defined below omega _{1}^{mathrm {CK} }, however, which measure the «proof-theoretic strength» of certain formal systems (for example, varepsilon _{0} measures the strength of Peano arithmetic). Large countable ordinals such as countable admissible ordinals can also be defined above the Church-Kleene ordinal, which are of interest in various parts of logic.[citation needed]

Topology and ordinals[edit]

Any ordinal number can be made into a topological space by endowing it with the order topology; this topology is discrete if and only if the ordinal is a countable cardinal, i.e. at most ω. A subset of ω + 1 is open in the order topology if and only if either it is cofinite or it does not contain ω as an element.

See the Topology and ordinals section of the «Order topology» article.

History[edit]

The transfinite ordinal numbers, which first appeared in 1883,[9] originated in Cantor’s work with derived sets. If P is a set of real numbers, the derived set P’ is the set of limit points of P. In 1872, Cantor generated the sets P(n) by applying the derived set operation n times to P. In 1880, he pointed out that these sets form the sequence P’ ⊇ ··· ⊇ P(n) ⊇ P(n + 1) ⊇ ···, and he continued the derivation process by defining P(∞) as the intersection of these sets. Then he iterated the derived set operation and intersections to extend his sequence of sets into the infinite: P(∞) ⊇ P(∞ + 1) ⊇ P(∞ + 2) ⊇ ··· ⊇ P(2∞) ⊇ ··· ⊇ P(∞2) ⊇ ···.[10] The superscripts containing ∞ are just indices defined by the derivation process.[11]

Cantor used these sets in the theorems: (1) If P(α) = ∅ for some index α, then P’ is countable; (2) Conversely, if P’ is countable, then there is an index α such that P(α) = ∅. These theorems are proved by partitioning P’ into pairwise disjoint sets: P’ = (P’ ∖ P(2)) ∪ (P(2) ∖ P(3)) ∪ ··· ∪ (P(∞) ∖ P(∞ + 1)) ∪ ··· ∪ P(α). For β < α: since P(β + 1) contains the limit points of P(β), the sets P(β) ∖ P(β + 1) have no limit points. Hence, they are discrete sets, so they are countable. Proof of first theorem: If P(α) = ∅ for some index α, then P’ is the countable union of countable sets. Therefore, P’ is countable.[12]

The second theorem requires proving the existence of an α such that P(α) = ∅. To prove this, Cantor considered the set of all α having countably many predecessors. To define this set, he defined the transfinite ordinal numbers and transformed the infinite indices into ordinals by replacing ∞ with ω, the first transfinite ordinal number. Cantor called the set of finite ordinals the first number class. The second number class is the set of ordinals whose predecessors form a countably infinite set. The set of all α having countably many predecessors—that is, the set of countable ordinals—is the union of these two number classes. Cantor proved that the cardinality of the second number class is the first uncountable cardinality.[13]

Cantor’s second theorem becomes: If P’ is countable, then there is a countable ordinal α such that P(α) = ∅. Its proof uses proof by contradiction. Let P’ be countable, and assume there is no such α. This assumption produces two cases.

  • Case 1: P(β) ∖ P(β + 1) is non-empty for all countable β. Since there are uncountably many of these pairwise disjoint sets, their union is uncountable. This union is a subset of P’, so P’ is uncountable.
  • Case 2: P(β) ∖ P(β + 1) is empty for some countable β. Since P(β + 1) ⊆ P(β), this implies P(β + 1) = P(β). Thus, P(β) is a perfect set, so it is uncountable.[14] Since P(β) ⊆ P’, the set P’ is uncountable.

In both cases, P’ is uncountable, which contradicts P’ being countable. Therefore, there is a countable ordinal α such that P(α) = ∅. Cantor’s work with derived sets and ordinal numbers led to the Cantor-Bendixson theorem.[15]

Using successors, limits, and cardinality, Cantor generated an unbounded sequence of ordinal numbers and number classes.[16] The (α + 1)-th number class is the set of ordinals whose predecessors form a set of the same cardinality as the α-th number class. The cardinality of the (α + 1)-th number class is the cardinality immediately following that of the α-th number class.[17] For a limit ordinal α, the α-th number class is the union of the β-th number classes for β < α.[18] Its cardinality is the limit of the cardinalities of these number classes.

If n is finite, the n-th number class has cardinality {displaystyle aleph _{n-1}}. If α ≥ ω, the α-th number class has cardinality aleph _{alpha }.[19] Therefore, the cardinalities of the number classes correspond one-to-one with the aleph numbers. Also, the α-th number class consists of ordinals different from those in the preceding number classes if and only if α is a non-limit ordinal. Therefore, the non-limit number classes partition the ordinals into pairwise disjoint sets.

See also[edit]

  • Counting
  • Even and odd ordinals
  • First uncountable ordinal
  • Ordinal space
  • Surreal number, a generalization of ordinals which includes negatives

Notes[edit]

  1. ^ «Ordinal Number — Examples and Definition of Ordinal Number». Literary Devices. 2017-05-21. Retrieved 2021-08-31.
  2. ^ Sterling, Kristin (2007-09-01). Ordinal Numbers. LernerClassroom. ISBN 978-0-8225-8846-7.
  3. ^ Thorough introductions are given by (Levy 1979) and (Jech 2003).
  4. ^ Hallett, Michael (1979), «Towards a theory of mathematical research programmes. I», The British Journal for the Philosophy of Science, 30 (1): 1–25, doi:10.1093/bjps/30.1.1, MR 0532548. See the footnote on p. 12.
  5. ^ «Ordinal Numbers | Brilliant Math & Science Wiki». brilliant.org. Retrieved 2020-08-12.
  6. ^ Weisstein, Eric W. «Ordinal Number». mathworld.wolfram.com. Retrieved 2020-08-12.
  7. ^ a b von Neumann 1923
  8. ^ (Levy 1979, p. 52) attributes the idea to unpublished work of Zermelo in 1916 and several papers by von Neumann the 1920s.
  9. ^ Cantor 1883. English translation: Ewald 1996, pp. 881–920
  10. ^ Ferreirós 1995, pp. 34–35; Ferreirós 2007, pp. 159, 204–5
  11. ^ Ferreirós 2007, p. 269
  12. ^ Ferreirós 1995, pp. 35–36; Ferreirós 2007, p. 207
  13. ^ Ferreirós 1995, pp. 36–37; Ferreirós 2007, p. 271
  14. ^ Dauben 1979, p. 111
  15. ^ Ferreirós 2007, pp. 207–8
  16. ^ Dauben 1979, pp. 97–98
  17. ^ Hallett 1986, pp. 61–62
  18. ^ Tait 1997, p. 5 footnote
  19. ^ The first number class has cardinality aleph _{0}. Mathematical induction proves that the n-th number class has cardinality {displaystyle aleph _{n-1}}. Since the ω-th number class is the union of the n-th number classes, its cardinality is aleph _{omega }, the limit of the {displaystyle aleph _{n-1}}. Transfinite induction proves that if α ≥ ω, the α-th number class has cardinality aleph _{alpha }.

References[edit]

  • Cantor, Georg (1883), «Ueber unendliche, lineare Punktmannichfaltigkeiten. 5.», Mathematische Annalen, 21 (4): 545–591, doi:10.1007/bf01446819, S2CID 121930608. Published separately as: Grundlagen einer allgemeinen Mannigfaltigkeitslehre.
  • Cantor, Georg (1897), «Beitrage zur Begrundung der transfiniten Mengenlehre. II», Mathematische Annalen, vol. 49, no. 2, pp. 207–246, doi:10.1007/BF01444205, S2CID 121665994 English translation: Contributions to the Founding of the Theory of Transfinite Numbers II.
  • Conway, John H.; Guy, Richard (2012) [1996], «Cantor’s Ordinal Numbers», The Book of Numbers, Springer, pp. 266–7, 274, ISBN 978-1-4612-4072-3
  • Dauben, Joseph (1979), Georg Cantor: His Mathematics and Philosophy of the Infinite, Harvard University Press, ISBN 0-674-34871-0.
  • Ewald, William B., ed. (1996), From Immanuel Kant to David Hilbert: A Source Book in the Foundations of Mathematics, Volume 2, Oxford University Press, ISBN 0-19-850536-1.
  • Ferreirós, José (1995), «‘What fermented in me for years’: Cantor’s discovery of transfinite numbers» (PDF), Historia Mathematica, 22: 33–42, doi:10.1006/hmat.1995.1003.
  • Ferreirós, José (2007), Labyrinth of Thought: A History of Set Theory and Its Role in Mathematical Thought (2nd revised ed.), Birkhäuser, ISBN 978-3-7643-8349-7.
  • Hallett, Michael (1986), Cantorian Set Theory and Limitation of Size, Oxford University Press, ISBN 0-19-853283-0.
  • Hamilton, A. G. (1982), «6. Ordinal and cardinal numbers», Numbers, Sets, and Axioms : the Apparatus of Mathematics, New York: Cambridge University Press, ISBN 0-521-24509-5.
  • Kanamori, Akihiro (2012), «Set Theory from Cantor to Cohen» (PDF), in Gabbay, Dov M.; Kanamori, Akihiro; Woods, John H. (eds.), Sets and Extensions in the Twentieth Century, Cambridge University Press, pp. 1–71, ISBN 978-0-444-51621-3.
  • Levy, A. (2002) [1979], Basic Set Theory, Springer-Verlag, ISBN 0-486-42079-5.
  • Jech, Thomas (2013), Set Theory (2nd ed.), Springer, ISBN 978-3-662-22400-7.
  • Sierpiński, W. (1965), Cardinal and Ordinal Numbers (2nd ed.), Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe Also defines ordinal operations in terms of the Cantor Normal Form.
  • Suppes, Patrick (1960), Axiomatic Set Theory, D.Van Nostrand, ISBN 0-486-61630-4.
  • Tait, William W. (1997), «Frege versus Cantor and Dedekind: On the Concept of Number» (PDF), in William W. Tait (ed.), Early Analytic Philosophy: Frege, Russell, Wittgenstein, Open Court, pp. 213–248, ISBN 0-8126-9344-2.
  • von Neumann, John (1923), «Zur Einführung der transfiniten Zahlen», Acta litterarum ac scientiarum Ragiae Universitatis Hungaricae Francisco-Josephinae, Sectio scientiarum mathematicarum, vol. 1, pp. 199–208, archived from the original on 2014-12-18, retrieved 2013-09-15
  • von Neumann, John (January 2002) [1923], «On the introduction of transfinite numbers», in Jean van Heijenoort (ed.), From Frege to Gödel: A Source Book in Mathematical Logic, 1879–1931 (3rd ed.), Harvard University Press, pp. 346–354, ISBN 0-674-32449-8 — English translation of von Neumann 1923.

External links[edit]

Look up ordinal in Wiktionary, the free dictionary.

  • «Ordinal number», Encyclopedia of Mathematics, EMS Press, 2001 [1994]
  • Ordinals at ProvenMath
  • Ordinal calculator GPL’d free software for computing with ordinals and ordinal notations
  • Chapter 4 of Don Monk’s lecture notes on set theory is an introduction to ordinals.

This article is about the mathematical concept. For number words denoting a position in a sequence («first», «second», «third», etc.), see Ordinal numeral.

Representation of the ordinal numbers up to ωω. Each turn of the spiral represents one power of ω.

In set theory, an ordinal number, or ordinal, is a generalization of ordinal numerals (first, second, nth, etc.) aimed to extend enumeration to infinite sets.[1]

A finite set can be enumerated by successively labeling each element with the least natural number that has not been previously used. To extend this process to various infinite sets, ordinal numbers are defined more generally as linearly ordered labels that include the natural numbers and have the property that every set of ordinals has a least element (this is needed for giving a meaning to «the least unused element»).[2] This more general definition allows us to define an ordinal number omega (omega) that is greater than every natural number, along with ordinal numbers omega +1, {displaystyle omega +2}, etc., which are even greater than omega .

A linear order such that every subset has a least element is called a well-order. The axiom of choice implies that every set can be well-ordered, and given two well-ordered sets, one is isomorphic to an initial segment of the other. So ordinal numbers exist and are essentially unique.

Ordinal numbers are distinct from cardinal numbers, which measure the size of sets. Although the distinction between ordinals and cardinals is not always apparent on finite sets (one can go from one to the other just by counting labels), they are very different in the infinite case, where different infinite ordinals can correspond to sets having the same cardinal. Like other kinds of numbers, ordinals can be added, multiplied, and exponentiated, although none of these operations are commutative.

Ordinals were introduced by Georg Cantor in 1883[3] in order to accommodate infinite sequences and classify derived sets, which he had previously introduced in 1872 while studying the uniqueness of trigonometric series.[4]

Ordinals extend the natural numbers[edit]


A natural number (which, in this context, includes the number 0) can be used for two purposes: to describe the size of a set, or to describe the position of an element in a sequence. When restricted to finite sets, these two concepts coincide, since all linear orders of a finite set are isomorphic.

When dealing with infinite sets, however, one has to distinguish between the notion of size, which leads to cardinal numbers, and the notion of position, which leads to the ordinal numbers described here. This is because while any set has only one size (its cardinality), there are many nonisomorphic well-orderings of any infinite set, as explained below.

Whereas the notion of cardinal number is associated with a set with no particular structure on it, the ordinals are intimately linked with the special kind of sets that are called well-ordered. A well-ordered set is a totally ordered set in which every non-empty subset has a least element (a totally ordered set is an ordered set such that, given two distinct elements, one is less than the other). Equivalently, assuming the axiom of dependent choice, it is a totally ordered set without any infinite decreasing sequence — though there may be infinite increasing sequences. Ordinals may be used to label the elements of any given well-ordered set (the smallest element being labelled 0, the one after that 1, the next one 2, «and so on»), and to measure the «length» of the whole set by the least ordinal that is not a label for an element of the set. This «length» is called the order type of the set.

Any ordinal is defined by the set of ordinals that precede it. In fact, the most common definition of ordinals identifies each ordinal as the set of ordinals that precede it. For example, the ordinal 42 is generally identified as the set {0, 1, 2, …, 41}. Conversely, any set S of ordinals that is downward closed — meaning that for any ordinal α in S and any ordinal β < α, β is also in S — is (or can be identified with) an ordinal.

This definition of ordinals in terms of sets allows for infinite ordinals. The smallest infinite ordinal is omega , which can be identified with the set of natural numbers (so that the ordinal associated with every natural number precedes omega ). Indeed, the set of natural numbers is well-ordered—as is any set of ordinals—and since it is downward closed, it can be identified with the ordinal associated with it.

A graphical «matchstick» representation of the ordinal ω². Each stick corresponds to an ordinal of the form ω·m+n where m and n are natural numbers.

Perhaps a clearer intuition of ordinals can be formed by examining a first few of them: as mentioned above, they start with the natural numbers, 0, 1, 2, 3, 4, 5, … After all natural numbers comes the first infinite ordinal, ω, and after that come ω+1, ω+2, ω+3, and so on. (Exactly what addition means will be defined later on: just consider them as names.) After all of these come ω·2 (which is ω+ω), ω·2+1, ω·2+2, and so on, then ω·3, and then later on ω·4. Now the set of ordinals formed in this way (the ω·m+n, where m and n are natural numbers) must itself have an ordinal associated with it: and that is ω2. Further on, there will be ω3, then ω4, and so on, and ωω, then ωωω, then later ωωωω, and even later ε0 (epsilon nought) (to give a few examples of relatively small—countable—ordinals). This can be continued indefinitely (as every time one says «and so on» when enumerating ordinals, it defines a larger ordinal). The smallest uncountable ordinal is the set of all countable ordinals, expressed as ω1 or Omega .[5][6]

Definitions[edit]

Well-ordered sets[edit]

In a well-ordered set, every non-empty subset contains a distinct smallest element. Given the axiom of dependent choice, this is equivalent to saying that the set is totally ordered and there is no infinite decreasing sequence (the latter being easier to visualize). In practice, the importance of well-ordering is justified by the possibility of applying transfinite induction, which says, essentially, that any property that passes on from the predecessors of an element to that element itself must be true of all elements (of the given well-ordered set). If the states of a computation (computer program or game) can be well-ordered—in such a way that each step is followed by a «lower» step—then the computation will terminate.

It is inappropriate to distinguish between two well-ordered sets if they only differ in the «labeling of their elements», or more formally: if the elements of the first set can be paired off with the elements of the second set such that if one element is smaller than another in the first set, then the partner of the first element is smaller than the partner of the second element in the second set, and vice versa. Such a one-to-one correspondence is called an order isomorphism, and the two well-ordered sets are said to be order-isomorphic or similar (with the understanding that this is an equivalence relation).

Formally, if a partial order ≤ is defined on the set S, and a partial order ≤’ is defined on the set S’ , then the posets (S,≤) and (S’ ,≤’) are order isomorphic if there is a bijection f that preserves the ordering. That is, f(a) ≤’ f(b) if and only if ab. Provided there exists an order isomorphism between two well-ordered sets, the order isomorphism is unique: this makes it quite justifiable to consider the two sets as essentially identical, and to seek a «canonical» representative of the isomorphism type (class). This is exactly what the ordinals provide, and it also provides a canonical labeling of the elements of any well-ordered set. Every well-ordered set (S,<) is order-isomorphic to the set of ordinals less than one specific ordinal number under their natural ordering. This canonical set is the order type of (S,<).

Essentially, an ordinal is intended to be defined as an isomorphism class of well-ordered sets: that is, as an equivalence class for the equivalence relation of «being order-isomorphic». There is a technical difficulty involved, however, in the fact that the equivalence class is too large to be a set in the usual Zermelo–Fraenkel (ZF) formalization of set theory. But this is not a serious difficulty. The ordinal can be said to be the order type of any set in the class.

Definition of an ordinal as an equivalence class[edit]

The original definition of ordinal numbers, found for example in the Principia Mathematica, defines the order type of a well-ordering as the set of all well-orderings similar (order-isomorphic) to that well-ordering: in other words, an ordinal number is genuinely an equivalence class of well-ordered sets. This definition must be abandoned in ZF and related systems of axiomatic set theory because these equivalence classes are too large to form a set. However, this definition still can be used in type theory and in Quine’s axiomatic set theory New Foundations and related systems (where it affords a rather surprising alternative solution to the Burali-Forti paradox of the largest ordinal).

Von Neumann definition of ordinals[edit]

First several von Neumann ordinals

0 = {} =
1 = {0} = {∅}
2 = {0,1} = {∅,{∅}}
3 = {0,1,2} = {∅,{∅},{∅,{∅}}}
4 = {0,1,2,3} = {∅,{∅},{∅,{∅}},{∅,{∅},{∅,{∅}}}}

Rather than defining an ordinal as an equivalence class of well-ordered sets, it will be defined as a particular well-ordered set that (canonically) represents the class. Thus, an ordinal number will be a well-ordered set; and every well-ordered set will be order-isomorphic to exactly one ordinal number.

For each well-ordered set T, {displaystyle amapsto T_{<a}} defines an order isomorphism between T and the set of all subsets of T having the form {displaystyle T_{<a}:={xin Tmid x<a}} ordered by inclusion. This motivates the standard definition, suggested by John von Neumann at the age of 19, now called definition of von Neumann ordinals: «each ordinal is the well-ordered set of all smaller ordinals.» In symbols, {displaystyle lambda =[0,lambda )}.[7][8] Formally:

A set S is an ordinal if and only if S is strictly well-ordered with respect to set membership and every element of S is also a subset of S.

The natural numbers are thus ordinals by this definition. For instance, 2 is an element of 4 = {0, 1, 2, 3}, and 2 is equal to {0, 1} and so it is a subset of {0, 1, 2, 3}.

It can be shown by transfinite induction that every well-ordered set is order-isomorphic to exactly one of these ordinals, that is, there is an order preserving bijective function between them.

Furthermore, the elements of every ordinal are ordinals themselves. Given two ordinals S and T, S is an element of T if and only if S is a proper subset of T. Moreover, either S is an element of T, or T is an element of S, or they are equal. So every set of ordinals is totally ordered. Further, every set of ordinals is well-ordered. This generalizes the fact that every set of natural numbers is well-ordered.

Consequently, every ordinal S is a set having as elements precisely the ordinals smaller than S. For example, every set of ordinals has a supremum, the ordinal obtained by taking the union of all the ordinals in the set. This union exists regardless of the set’s size, by the axiom of union.

The class of all ordinals is not a set. If it were a set, one could show that it was an ordinal and thus a member of itself, which would contradict its strict ordering by membership. This is the Burali-Forti paradox. The class of all ordinals is variously called «Ord», «ON», or «∞».

An ordinal is finite if and only if the opposite order is also well-ordered, which is the case if and only if each of its non-empty subsets has a maximum.

Other definitions[edit]

There are other modern formulations of the definition of ordinal. For example, assuming the axiom of regularity, the following are equivalent for a set x:

  • x is a (von Neumann) ordinal,
  • x is a transitive set, and set membership is trichotomous on x,
  • x is a transitive set totally ordered by set inclusion,
  • x is a transitive set of transitive sets.

These definitions cannot be used in non-well-founded set theories. In set theories with urelements, one has to further make sure that the definition excludes urelements from appearing in ordinals.

Transfinite sequence[edit]

If α is any ordinal and X is a set, an α-indexed sequence of elements of X is a function from α to X. This concept, a transfinite sequence (if α is infinite) or ordinal-indexed sequence, is a generalization of the concept of a sequence. An ordinary sequence corresponds to the case α = ω, while a finite α corresponds to a tuple, a.k.a. string.

Transfinite induction[edit]

Transfinite induction holds in any well-ordered set, but it is so important in relation to ordinals that it is worth restating here.

Any property that passes from the set of ordinals smaller than a given ordinal α to α itself, is true of all ordinals.

That is, if P(α) is true whenever P(β) is true for all β < α, then P(α) is true for all α. Or, more practically: in order to prove a property P for all ordinals α, one can assume that it is already known for all smaller β < α.

Transfinite recursion[edit]

Transfinite induction can be used not only to prove things, but also to define them. Such a definition is normally said to be by transfinite recursion – the proof that the result is well-defined uses transfinite induction. Let F denote a (class) function F to be defined on the ordinals. The idea now is that, in defining F(α) for an unspecified ordinal α, one may assume that F(β) is already defined for all β < α and thus give a formula for F(α) in terms of these F(β). It then follows by transfinite induction that there is one and only one function satisfying the recursion formula up to and including α.

Here is an example of definition by transfinite recursion on the ordinals (more will be given later): define function F by letting F(α) be the smallest ordinal not in the set {F(β) | β < α}, that is, the set consisting of all F(β) for β < α. This definition assumes the F(β) known in the very process of defining F; this apparent vicious circle is exactly what definition by transfinite recursion permits. In fact, F(0) makes sense since there is no ordinal β < 0, and the set {F(β) | β < 0} is empty. So F(0) is equal to 0 (the smallest ordinal of all). Now that F(0) is known, the definition applied to F(1) makes sense (it is the smallest ordinal not in the singleton set {F(0)} = {0}), and so on (the and so on is exactly transfinite induction). It turns out that this example is not very exciting, since provably F(α) = α for all ordinals α, which can be shown, precisely, by transfinite induction.

Successor and limit ordinals[edit]

Any nonzero ordinal has the minimum element, zero. It may or may not have a maximum element. For example, 42 has maximum 41 and ω+6 has maximum ω+5. On the other hand, ω does not have a maximum since there is no largest natural number. If an ordinal has a maximum α, then it is the next ordinal after α, and it is called a successor ordinal, namely the successor of α, written α+1. In the von Neumann definition of ordinals, the successor of α is alpha cup {alpha } since its elements are those of α and α itself.[7]

A nonzero ordinal that is not a successor is called a limit ordinal. One justification for this term is that a limit ordinal is the limit in a topological sense of all smaller ordinals (under the order topology).

When langle alpha _{iota }|iota <gamma rangle is an ordinal-indexed sequence, indexed by a limit gamma and the sequence is increasing, i.e. {displaystyle alpha _{iota }<alpha _{rho }} whenever {displaystyle iota <rho ,} its limit is defined as the least upper bound of the set {displaystyle {alpha _{iota }|iota <gamma },} that is, the smallest ordinal (it always exists) greater than any term of the sequence. In this sense, a limit ordinal is the limit of all smaller ordinals (indexed by itself). Put more directly, it is the supremum of the set of smaller ordinals.

Another way of defining a limit ordinal is to say that α is a limit ordinal if and only if:

There is an ordinal less than α and whenever ζ is an ordinal less than α, then there exists an ordinal ξ such that ζ < ξ < α.

So in the following sequence:

0, 1, 2, …, ω, ω+1

ω is a limit ordinal because for any smaller ordinal (in this example, a natural number) there is another ordinal (natural number) larger than it, but still less than ω.

Thus, every ordinal is either zero, or a successor (of a well-defined predecessor), or a limit. This distinction is important, because many definitions by transfinite recursion rely upon it. Very often, when defining a function F by transfinite recursion on all ordinals, one defines F(0), and F(α+1) assuming F(α) is defined, and then, for limit ordinals δ one defines F(δ) as the limit of the F(β) for all β<δ (either in the sense of ordinal limits, as previously explained, or for some other notion of limit if F does not take ordinal values). Thus, the interesting step in the definition is the successor step, not the limit ordinals. Such functions (especially for F nondecreasing and taking ordinal values) are called continuous. Ordinal addition, multiplication and exponentiation are continuous as functions of their second argument (but can be defined non-recursively).

Indexing classes of ordinals[edit]

Any well-ordered set is similar (order-isomorphic) to a unique ordinal number alpha ; in other words, its elements can be indexed in increasing fashion by the ordinals less than alpha . This applies, in particular, to any set of ordinals: any set of ordinals is naturally indexed by the ordinals less than some alpha . The same holds, with a slight modification, for classes of ordinals (a collection of ordinals, possibly too large to form a set, defined by some property): any class of ordinals can be indexed by ordinals (and, when the class is unbounded in the class of all ordinals, this puts it in class-bijection with the class of all ordinals). So the gamma -th element in the class (with the convention that the «0-th» is the smallest, the «1-st» is the next smallest, and so on) can be freely spoken of. Formally, the definition is by transfinite induction: the gamma -th element of the class is defined (provided it has already been defined for all beta <gamma ), as the smallest element greater than the beta -th element for all beta <gamma .

This could be applied, for example, to the class of limit ordinals: the gamma -th ordinal, which is either a limit or zero is omega cdot gamma (see ordinal arithmetic for the definition of multiplication of ordinals). Similarly, one can consider additively indecomposable ordinals (meaning a nonzero ordinal that is not the sum of two strictly smaller ordinals): the gamma -th additively indecomposable ordinal is indexed as {displaystyle omega ^{gamma }}. The technique of indexing classes of ordinals is often useful in the context of fixed points: for example, the gamma -th ordinal alpha such that omega ^{alpha }=alpha is written varepsilon _{gamma }. These are called the «epsilon numbers».

Closed unbounded sets and classes[edit]

A class C of ordinals is said to be unbounded, or cofinal, when given any ordinal alpha , there is a beta in C such that alpha <beta (then the class must be a proper class, i.e., it cannot be a set). It is said to be closed when the limit of a sequence of ordinals in the class is again in the class: or, equivalently, when the indexing (class-)function F is continuous in the sense that, for delta a limit ordinal, F(delta ) (the delta -th ordinal in the class) is the limit of all F(gamma ) for gamma <delta ; this is also the same as being closed, in the topological sense, for the order topology (to avoid talking of topology on proper classes, one can demand that the intersection of the class with any given ordinal is closed for the order topology on that ordinal, this is again equivalent).

Of particular importance are those classes of ordinals that are closed and unbounded, sometimes called clubs. For example, the class of all limit ordinals is closed and unbounded: this translates the fact that there is always a limit ordinal greater than a given ordinal, and that a limit of limit ordinals is a limit ordinal (a fortunate fact if the terminology is to make any sense at all!). The class of additively indecomposable ordinals, or the class of varepsilon _{cdot } ordinals, or the class of cardinals, are all closed unbounded; the set of regular cardinals, however, is unbounded but not closed, and any finite set of ordinals is closed but not unbounded.

A class is stationary if it has a nonempty intersection with every closed unbounded class. All superclasses of closed unbounded classes are stationary, and stationary classes are unbounded, but there are stationary classes that are not closed and stationary classes that have no closed unbounded subclass (such as the class of all limit ordinals with countable cofinality). Since the intersection of two closed unbounded classes is closed and unbounded, the intersection of a stationary class and a closed unbounded class is stationary. But the intersection of two stationary classes may be empty, e.g. the class of ordinals with cofinality ω with the class of ordinals with uncountable cofinality.

Rather than formulating these definitions for (proper) classes of ordinals, one can formulate them for sets of ordinals below a given ordinal alpha : A subset of a limit ordinal alpha is said to be unbounded (or cofinal) under alpha provided any ordinal less than alpha is less than some ordinal in the set. More generally, one can call a subset of any ordinal alpha cofinal in alpha provided every ordinal less than alpha is less than or equal to some ordinal in the set. The subset is said to be closed under alpha provided it is closed for the order topology in alpha , i.e. a limit of ordinals in the set is either in the set or equal to alpha itself.

Arithmetic of ordinals[edit]

There are three usual operations on ordinals: addition, multiplication, and (ordinal) exponentiation. Each can be defined in essentially two different ways: either by constructing an explicit well-ordered set that represents the operation or by using transfinite recursion. The Cantor normal form provides a standardized way of writing ordinals. It uniquely represents each ordinal as a finite sum of ordinal powers of ω. However, this cannot form the basis of a universal ordinal notation due to such self-referential representations as ε0 = ωε0. The so-called «natural» arithmetical operations retain commutativity at the expense of continuity.

Interpreted as nimbers (a game-theoretic variant of numbers), ordinals are also subject to nimber arithmetic operations.

Ordinals and cardinals[edit]

Initial ordinal of a cardinal[edit]

Each ordinal associates with one cardinal, its cardinality. If there is a bijection between two ordinals (e.g. ω = 1 + ω and ω + 1 > ω), then they associate with the same cardinal. Any well-ordered set having an ordinal as its order-type has the same cardinality as that ordinal. The least ordinal associated with a given cardinal is called the initial ordinal of that cardinal. Every finite ordinal (natural number) is initial, and no other ordinal associates with its cardinal. But most infinite ordinals are not initial, as many infinite ordinals associate with the same cardinal. The axiom of choice is equivalent to the statement that every set can be well-ordered, i.e. that every cardinal has an initial ordinal. In theories with the axiom of choice, the cardinal number of any set has an initial ordinal, and one may employ the Von Neumann cardinal assignment as the cardinal’s representation. (However, we must then be careful to distinguish between cardinal arithmetic and ordinal arithmetic.) In set theories without the axiom of choice, a cardinal may be represented by the set of sets with that cardinality having minimal rank (see Scott’s trick).

One issue with Scott’s trick is that it identifies the cardinal number {displaystyle 0} with {displaystyle {emptyset }}, which in some formulations is the ordinal number 1. It may be clearer to apply Von Neumann cardinal assignment to finite cases and to use Scott’s trick for sets which are infinite or do not admit well orderings. Note that cardinal and ordinal arithmetic agree for finite numbers.

The α-th infinite initial ordinal is written omega _{alpha }, it is always a limit ordinal. Its cardinality is written aleph _{alpha }. For example, the cardinality of ω0 = ω is aleph _{0}, which is also the cardinality of ω2 or ε0 (all are countable ordinals). So ω can be identified with aleph _{0}, except that the notation aleph _{0} is used when writing cardinals, and ω when writing ordinals (this is important since, for example, aleph _{0}^{2} = aleph _{0} whereas {displaystyle omega ^{2}>omega }). Also, omega _{1} is the smallest uncountable ordinal (to see that it exists, consider the set of equivalence classes of well-orderings of the natural numbers: each such well-ordering defines a countable ordinal, and omega _{1} is the order type of that set), omega _{2} is the smallest ordinal whose cardinality is greater than aleph _{1}, and so on, and omega _{omega } is the limit of the omega _{n} for natural numbers n (any limit of cardinals is a cardinal, so this limit is indeed the first cardinal after all the omega _{n}).

Cofinality[edit]

The cofinality of an ordinal alpha is the smallest ordinal delta that is the order type of a cofinal subset of alpha . Notice that a number of authors define cofinality or use it only for limit ordinals. The cofinality of a set of ordinals or any other well-ordered set is the cofinality of the order type of that set.

Thus for a limit ordinal, there exists a delta -indexed strictly increasing sequence with limit alpha . For example, the cofinality of ω2 is ω, because the sequence ω·m (where m ranges over the natural numbers) tends to ω2; but, more generally, any countable limit ordinal has cofinality ω. An uncountable limit ordinal may have either cofinality ω as does omega _{omega } or an uncountable cofinality.

The cofinality of 0 is 0. And the cofinality of any successor ordinal is 1. The cofinality of any limit ordinal is at least omega .

An ordinal that is equal to its cofinality is called regular and it is always an initial ordinal. Any limit of regular ordinals is a limit of initial ordinals and thus is also initial even if it is not regular, which it usually is not. If the Axiom of Choice, then omega _{alpha +1} is regular for each α. In this case, the ordinals 0, 1, omega , omega _{1}, and omega _{2} are regular, whereas 2, 3, omega _{omega }, and ωω·2 are initial ordinals that are not regular.

The cofinality of any ordinal α is a regular ordinal, i.e. the cofinality of the cofinality of α is the same as the cofinality of α. So the cofinality operation is idempotent.

Some «large» countable ordinals[edit]

As mentioned above (see Cantor normal form), the ordinal ε0 is the smallest satisfying the equation omega ^{alpha }=alpha , so it is the limit of the sequence 0, 1, omega , omega ^{omega }, omega ^{omega ^{omega }}, etc. Many ordinals can be defined in such a manner as fixed points of certain ordinal functions (the iota -th ordinal such that omega ^{alpha }=alpha is called varepsilon _{iota }, then one could go on trying to find the iota -th ordinal such that varepsilon _{alpha }=alpha , «and so on», but all the subtlety lies in the «and so on»). One could try to do this systematically, but no matter what system is used to define and construct ordinals, there is always an ordinal that lies just above all the ordinals constructed by the system. Perhaps the most important ordinal that limits a system of construction in this manner is the Church–Kleene ordinal, omega _{1}^{mathrm {CK} } (despite the omega _{1} in the name, this ordinal is countable), which is the smallest ordinal that cannot in any way be represented by a computable function (this can be made rigorous, of course). Considerably large ordinals can be defined below omega _{1}^{mathrm {CK} }, however, which measure the «proof-theoretic strength» of certain formal systems (for example, varepsilon _{0} measures the strength of Peano arithmetic). Large countable ordinals such as countable admissible ordinals can also be defined above the Church-Kleene ordinal, which are of interest in various parts of logic.[citation needed]

Topology and ordinals[edit]

Any ordinal number can be made into a topological space by endowing it with the order topology; this topology is discrete if and only if the ordinal is a countable cardinal, i.e. at most ω. A subset of ω + 1 is open in the order topology if and only if either it is cofinite or it does not contain ω as an element.

See the Topology and ordinals section of the «Order topology» article.

History[edit]

The transfinite ordinal numbers, which first appeared in 1883,[9] originated in Cantor’s work with derived sets. If P is a set of real numbers, the derived set P’ is the set of limit points of P. In 1872, Cantor generated the sets P(n) by applying the derived set operation n times to P. In 1880, he pointed out that these sets form the sequence P’ ⊇ ··· ⊇ P(n) ⊇ P(n + 1) ⊇ ···, and he continued the derivation process by defining P(∞) as the intersection of these sets. Then he iterated the derived set operation and intersections to extend his sequence of sets into the infinite: P(∞) ⊇ P(∞ + 1) ⊇ P(∞ + 2) ⊇ ··· ⊇ P(2∞) ⊇ ··· ⊇ P(∞2) ⊇ ···.[10] The superscripts containing ∞ are just indices defined by the derivation process.[11]

Cantor used these sets in the theorems: (1) If P(α) = ∅ for some index α, then P’ is countable; (2) Conversely, if P’ is countable, then there is an index α such that P(α) = ∅. These theorems are proved by partitioning P’ into pairwise disjoint sets: P’ = (P’ ∖ P(2)) ∪ (P(2) ∖ P(3)) ∪ ··· ∪ (P(∞) ∖ P(∞ + 1)) ∪ ··· ∪ P(α). For β < α: since P(β + 1) contains the limit points of P(β), the sets P(β) ∖ P(β + 1) have no limit points. Hence, they are discrete sets, so they are countable. Proof of first theorem: If P(α) = ∅ for some index α, then P’ is the countable union of countable sets. Therefore, P’ is countable.[12]

The second theorem requires proving the existence of an α such that P(α) = ∅. To prove this, Cantor considered the set of all α having countably many predecessors. To define this set, he defined the transfinite ordinal numbers and transformed the infinite indices into ordinals by replacing ∞ with ω, the first transfinite ordinal number. Cantor called the set of finite ordinals the first number class. The second number class is the set of ordinals whose predecessors form a countably infinite set. The set of all α having countably many predecessors—that is, the set of countable ordinals—is the union of these two number classes. Cantor proved that the cardinality of the second number class is the first uncountable cardinality.[13]

Cantor’s second theorem becomes: If P’ is countable, then there is a countable ordinal α such that P(α) = ∅. Its proof uses proof by contradiction. Let P’ be countable, and assume there is no such α. This assumption produces two cases.

  • Case 1: P(β) ∖ P(β + 1) is non-empty for all countable β. Since there are uncountably many of these pairwise disjoint sets, their union is uncountable. This union is a subset of P’, so P’ is uncountable.
  • Case 2: P(β) ∖ P(β + 1) is empty for some countable β. Since P(β + 1) ⊆ P(β), this implies P(β + 1) = P(β). Thus, P(β) is a perfect set, so it is uncountable.[14] Since P(β) ⊆ P’, the set P’ is uncountable.

In both cases, P’ is uncountable, which contradicts P’ being countable. Therefore, there is a countable ordinal α such that P(α) = ∅. Cantor’s work with derived sets and ordinal numbers led to the Cantor-Bendixson theorem.[15]

Using successors, limits, and cardinality, Cantor generated an unbounded sequence of ordinal numbers and number classes.[16] The (α + 1)-th number class is the set of ordinals whose predecessors form a set of the same cardinality as the α-th number class. The cardinality of the (α + 1)-th number class is the cardinality immediately following that of the α-th number class.[17] For a limit ordinal α, the α-th number class is the union of the β-th number classes for β < α.[18] Its cardinality is the limit of the cardinalities of these number classes.

If n is finite, the n-th number class has cardinality {displaystyle aleph _{n-1}}. If α ≥ ω, the α-th number class has cardinality aleph _{alpha }.[19] Therefore, the cardinalities of the number classes correspond one-to-one with the aleph numbers. Also, the α-th number class consists of ordinals different from those in the preceding number classes if and only if α is a non-limit ordinal. Therefore, the non-limit number classes partition the ordinals into pairwise disjoint sets.

See also[edit]

  • Counting
  • Even and odd ordinals
  • First uncountable ordinal
  • Ordinal space
  • Surreal number, a generalization of ordinals which includes negatives

Notes[edit]

  1. ^ «Ordinal Number — Examples and Definition of Ordinal Number». Literary Devices. 2017-05-21. Retrieved 2021-08-31.
  2. ^ Sterling, Kristin (2007-09-01). Ordinal Numbers. LernerClassroom. ISBN 978-0-8225-8846-7.
  3. ^ Thorough introductions are given by (Levy 1979) and (Jech 2003).
  4. ^ Hallett, Michael (1979), «Towards a theory of mathematical research programmes. I», The British Journal for the Philosophy of Science, 30 (1): 1–25, doi:10.1093/bjps/30.1.1, MR 0532548. See the footnote on p. 12.
  5. ^ «Ordinal Numbers | Brilliant Math & Science Wiki». brilliant.org. Retrieved 2020-08-12.
  6. ^ Weisstein, Eric W. «Ordinal Number». mathworld.wolfram.com. Retrieved 2020-08-12.
  7. ^ a b von Neumann 1923
  8. ^ (Levy 1979, p. 52) attributes the idea to unpublished work of Zermelo in 1916 and several papers by von Neumann the 1920s.
  9. ^ Cantor 1883. English translation: Ewald 1996, pp. 881–920
  10. ^ Ferreirós 1995, pp. 34–35; Ferreirós 2007, pp. 159, 204–5
  11. ^ Ferreirós 2007, p. 269
  12. ^ Ferreirós 1995, pp. 35–36; Ferreirós 2007, p. 207
  13. ^ Ferreirós 1995, pp. 36–37; Ferreirós 2007, p. 271
  14. ^ Dauben 1979, p. 111
  15. ^ Ferreirós 2007, pp. 207–8
  16. ^ Dauben 1979, pp. 97–98
  17. ^ Hallett 1986, pp. 61–62
  18. ^ Tait 1997, p. 5 footnote
  19. ^ The first number class has cardinality aleph _{0}. Mathematical induction proves that the n-th number class has cardinality {displaystyle aleph _{n-1}}. Since the ω-th number class is the union of the n-th number classes, its cardinality is aleph _{omega }, the limit of the {displaystyle aleph _{n-1}}. Transfinite induction proves that if α ≥ ω, the α-th number class has cardinality aleph _{alpha }.

References[edit]

  • Cantor, Georg (1883), «Ueber unendliche, lineare Punktmannichfaltigkeiten. 5.», Mathematische Annalen, 21 (4): 545–591, doi:10.1007/bf01446819, S2CID 121930608. Published separately as: Grundlagen einer allgemeinen Mannigfaltigkeitslehre.
  • Cantor, Georg (1897), «Beitrage zur Begrundung der transfiniten Mengenlehre. II», Mathematische Annalen, vol. 49, no. 2, pp. 207–246, doi:10.1007/BF01444205, S2CID 121665994 English translation: Contributions to the Founding of the Theory of Transfinite Numbers II.
  • Conway, John H.; Guy, Richard (2012) [1996], «Cantor’s Ordinal Numbers», The Book of Numbers, Springer, pp. 266–7, 274, ISBN 978-1-4612-4072-3
  • Dauben, Joseph (1979), Georg Cantor: His Mathematics and Philosophy of the Infinite, Harvard University Press, ISBN 0-674-34871-0.
  • Ewald, William B., ed. (1996), From Immanuel Kant to David Hilbert: A Source Book in the Foundations of Mathematics, Volume 2, Oxford University Press, ISBN 0-19-850536-1.
  • Ferreirós, José (1995), «‘What fermented in me for years’: Cantor’s discovery of transfinite numbers» (PDF), Historia Mathematica, 22: 33–42, doi:10.1006/hmat.1995.1003.
  • Ferreirós, José (2007), Labyrinth of Thought: A History of Set Theory and Its Role in Mathematical Thought (2nd revised ed.), Birkhäuser, ISBN 978-3-7643-8349-7.
  • Hallett, Michael (1986), Cantorian Set Theory and Limitation of Size, Oxford University Press, ISBN 0-19-853283-0.
  • Hamilton, A. G. (1982), «6. Ordinal and cardinal numbers», Numbers, Sets, and Axioms : the Apparatus of Mathematics, New York: Cambridge University Press, ISBN 0-521-24509-5.
  • Kanamori, Akihiro (2012), «Set Theory from Cantor to Cohen» (PDF), in Gabbay, Dov M.; Kanamori, Akihiro; Woods, John H. (eds.), Sets and Extensions in the Twentieth Century, Cambridge University Press, pp. 1–71, ISBN 978-0-444-51621-3.
  • Levy, A. (2002) [1979], Basic Set Theory, Springer-Verlag, ISBN 0-486-42079-5.
  • Jech, Thomas (2013), Set Theory (2nd ed.), Springer, ISBN 978-3-662-22400-7.
  • Sierpiński, W. (1965), Cardinal and Ordinal Numbers (2nd ed.), Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe Also defines ordinal operations in terms of the Cantor Normal Form.
  • Suppes, Patrick (1960), Axiomatic Set Theory, D.Van Nostrand, ISBN 0-486-61630-4.
  • Tait, William W. (1997), «Frege versus Cantor and Dedekind: On the Concept of Number» (PDF), in William W. Tait (ed.), Early Analytic Philosophy: Frege, Russell, Wittgenstein, Open Court, pp. 213–248, ISBN 0-8126-9344-2.
  • von Neumann, John (1923), «Zur Einführung der transfiniten Zahlen», Acta litterarum ac scientiarum Ragiae Universitatis Hungaricae Francisco-Josephinae, Sectio scientiarum mathematicarum, vol. 1, pp. 199–208, archived from the original on 2014-12-18, retrieved 2013-09-15
  • von Neumann, John (January 2002) [1923], «On the introduction of transfinite numbers», in Jean van Heijenoort (ed.), From Frege to Gödel: A Source Book in Mathematical Logic, 1879–1931 (3rd ed.), Harvard University Press, pp. 346–354, ISBN 0-674-32449-8 — English translation of von Neumann 1923.

External links[edit]

Look up ordinal in Wiktionary, the free dictionary.

  • «Ordinal number», Encyclopedia of Mathematics, EMS Press, 2001 [1994]
  • Ordinals at ProvenMath
  • Ordinal calculator GPL’d free software for computing with ordinals and ordinal notations
  • Chapter 4 of Don Monk’s lecture notes on set theory is an introduction to ordinals.

0 / 0 / 0

Регистрация: 21.11.2010

Сообщений: 3

1

Определение порядкового номера числа, отличного от других данных .(Паскаль)

21.11.2010, 16:30. Показов 9451. Ответов 3


Даны три целых числа, одно из которых отлично от двух других, равных между собой. Определить порядковый номер числа, отличного от остальных.

__________________
Помощь в написании контрольных, курсовых и дипломных работ, диссертаций здесь



0



19 / 19 / 20

Регистрация: 17.11.2010

Сообщений: 53

21.11.2010, 16:35

2

Цитата
Сообщение от katerina19v
Посмотреть сообщение

Даны три целых числа, одно из которых отлично от двух других, равных между собой. Определить порядковый номер числа, отличного от остальных.

Непонятное задание…
Да и тут вроде недавно была такая тема.



0



DenHuk

3 / 3 / 1

Регистрация: 04.06.2010

Сообщений: 15

21.11.2010, 16:36

3

Pascal
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
uses crt;
var a,b,c:integer;
begin
clrscr;
writeln('Введите 1ое число = ');
readln(a);
writeln('Введите 2ое число = ');
readln(b);
writeln('Введите 3eе число = ');
readln(c);
if a = b then 
writeln('порядковый номер равен 3');
else if a = c then
writeln('порядковый номер равен 2');
else if b = c then
writeln('порядковый номер равен 1');
end;
end.



1



0 / 0 / 0

Регистрация: 21.11.2010

Сообщений: 3

21.11.2010, 16:37

 [ТС]

4

Огромнейшее СПАСИБО…………



0



Тип порядка упорядоченного набора Представление порядковых номеров до ω. Каждый поворот спирали представляет одну степень ω

В теории множеств, порядковое число или порядковое число является одним из обобщений концепции натуральное число, которое используется для описания способа упорядочения (возможно, бесконечного) набора объектов один за другим.

Любую конечную коллекцию объектов можно упорядочить просто с помощью процесса подсчета: пометки объектов различными натуральными числами. Основная идея порядковых чисел состоит в том, чтобы обобщить этот процесс на возможно бесконечное количество коллекций и предоставить «метку» для каждого шага процесса. Таким образом, порядковые номера являются «метками», необходимыми для упорядочивания коллекций объектов.

Порядковый номер используется для описания типа заказа из хорошо упорядоченного набора (хотя это не работает для хорошо упорядоченного правильного класса ). Хорошо упорядоченный набор — это набор с отношением>таким образом, что:

  • (Трихотомия ) Для любых элементов x и y верно ровно одно из этих утверждений:
    • x < y
    • x>y
    • x = y
  • (Транзитивность ) Для любых элементов x, y, z, если x>y и y>z, то x>z.
  • (Обоснованность ) Каждое непустое подмножество имеет наименьшее element, то есть у него есть такой элемент x, что нет другого элемента y в подмножестве, где x>y.

Два хорошо упорядоченных набора имеют один и тот же тип порядка, если и только если существует bijection из одного набора в другой, который преобразует отношение в первом наборе в отношение во втором наборе.

Хотя порядковые числа полезны для упорядочивания объектов в коллекции, они отличаются от кардинальных чисел, которые полезны для количественной оценки количества объектов в коллекции. Хотя различие между порядковыми числами и кардиналами не всегда очевидно в конечных наборах (можно переходить от одного к другому, просто считая метки), разные бесконечные порядковые числа могут соответствовать одному и тому же кардиналу. Более того, могут быть наборы, которые нельзя хорошо упорядочить, и их количественные номера не соответствуют порядковым номерам. (Например, существование таких множеств следует из теории множеств Цермело-Френкеля с отрицанием аксиомы выбора.) Как и другие виды чисел, порядковые числа можно складывать, умножать и возводить в степень., хотя ни одна из этих операций не является коммутативной.

Порядковые числа были введены Георгом Кантором в 1883 году для того, чтобы учесть бесконечные последовательности и классифицировать производные множества, которые он ранее ввел в 1872 году — при изучении уникальности тригонометрический ряд.

Содержание

  • 1 Порядковые числа расширяют натуральные числа
  • 2 Определения
    • 2.1 Хорошо упорядоченные множества
    • 2.2 Определение порядкового номера как класса эквивалентности
    • 2.3 Определение фон Неймана ординалов
    • 2.4 Другие определения
  • 3 Трансфинитная последовательность
  • 4 Трансфинитная индукция
    • 4.1 Трансфинитная рекурсия
    • 4.2 Последовательные и предельные ординалы
    • 4.3 Классы индексации ординалов
    • 4.4 Замкнутые неограниченные множества и классы
  • 5 Арифметика порядковых чисел
  • 6 Порядковые и кардинальные числа
    • 6.1 Начальный порядковый номер кардинала
    • 6.2 Кофинальность
  • 7 Некоторые «большие» счетные порядковые числа
  • 8 Топология и порядковые числа
  • 9 Замкнутые вниз наборы порядковых номеров
  • 10 История
  • 11 См. Также
  • 12 Примечания
  • 13 Ссылки
  • 14 Внешние ссылки

Порядковые номера расширяются t Натуральные числа

A натуральное число (которое в данном контексте включает число 0 ) можно использовать для двух целей: для описания размера набора, или для описания положения элемента в последовательности. При ограничении конечными наборами эти две концепции совпадают, и есть только один способ поместить конечное множество в линейную последовательность (от до изоморфизм). Однако, имея дело с бесконечными множествами, нужно различать понятие размера, которое приводит к кардинальным числам, и понятие положения, которое ведет к порядковым числам, описанным здесь. Это потому, что, хотя любой набор имеет только один размер (его мощность ), существует множество неизоморфных хорошо упорядоченных любого бесконечного набора, как объясняется ниже.

В то время как понятие кардинального числа связано с набором без какой-либо конкретной структуры, порядковые числа тесно связаны с наборами особого вида, которые называются хорошо упорядоченными (так тесно связано, фактически, с тем, что некоторые математики не делают различия между этими двумя концепциями). Хорошо упорядоченный набор — это полностью упорядоченный набор (для любых двух элементов один определяет меньший и больший согласованным образом), в котором каждое непустое подмножество набора имеет наименьший элемент. В частности, не существует бесконечной убывающей последовательности. (Однако могут быть бесконечные возрастающие последовательности.) Порядковые номера могут использоваться для обозначения элементов любого заданного упорядоченного набора (наименьший элемент обозначается 0, следующий за ним — 1, следующий 2 и т. Д.), и для измерения «длины» всего набора наименьшим порядковым номером, который не является меткой для элемента набора. Эта «длина» называется типом заказа набора.

Любой порядковый номер определяется набором порядковых номеров, которые ему предшествуют. Фактически, наиболее распространенное определение порядковых номеров определяет каждый порядковый номер как набор предшествующих ему порядковых номеров. Например, порядковый номер 42 является порядковым типом порядковых номеров, меньших, чем он, то есть порядковых номеров от 0 (наименьший из всех порядковых номеров) до 41 (непосредственный предшественник 42), и обычно идентифицируется как набор { 0,1,2,…, 41}. И наоборот, любой набор ординалов S, замкнутый вниз — это означает, что для любого ординала α в S и любого ординала β < α, β is also in S — is (or can be identified with) an ordinal.

также существуют бесконечные ординалы: наименьший бесконечный порядковый номер ω { displaystyle omega} omega , который является порядковым типом натуральных чисел (конечных ординалов) и может даже быть отождествлен с набором натуральных чисел. Действительно, набор натуральных чисел хорошо упорядочен, как и любой набор ординалов, и, поскольку он закрыт сверху вниз, его можно идентифицировать с помощью связанного с ним порядкового номера (именно так ω { displaystyle omega } omega определено).

Графическое «спичечное» представление порядкового номера ω². Каждой палке соответствует порядковый номер в форме ω · m + n, где m и n — натуральные числа.

Возможно, более четкое представление об порядковых числах можно составить, исследуя несколько первых из них: как упоминалось выше, они начинаются с натуральные числа, 0, 1, 2, 3, 4, 5,… После всех натуральных чисел идет первый бесконечный порядковый номер, ω, а затем идет ω + 1, ω + 2, ω + 3 и так далее. (Что именно означает сложение, будет определено позже: просто рассматривайте их как имена.) После всего этого получится ω · 2 (то есть ω + ω), ω · 2 + 1, ω · 2 + 2 и так далее, затем ω · 3, а затем ω · 4. Теперь с набором ординалов, сформированных таким образом (ω · m + n, где m и n — натуральные числа), сам должен иметь связанный с ним ординал: и это ω. Далее будет ω, затем ω и т. Д., И ω, затем ω, затем ω, и даже позже ε 0(эпсилон ноль ) (чтобы дать несколько примеров относительно малых — счетных — порядковые числительные). Это можно продолжать бесконечно (поскольку каждый раз, когда кто-то говорит «и так далее» при перечислении порядковых номеров, это определяет более крупный порядковый номер). Наименьший несчетный порядковый номер — это набор всех счетных порядковых номеров, выраженный как ω1 или Ω { displaystyle Omega} Omega .

Определения

Хорошо упорядоченные множества

В хорошо упорядоченном наборе каждое непустое подмножество содержит отдельный наименьший элемент. Учитывая аксиому зависимого выбора, это эквивалентно утверждению, что множество полностью упорядочено и не существует бесконечной убывающей последовательности (последнюю легче визуализировать). На практике важность правильного упорядочивания оправдывается возможностью применения трансфинитной индукции, которая, по сути, говорит, что любое свойство, которое передается от предшественников элемента к самому элементу, должно быть истинным для все элементы (данного упорядоченного набора). Если состояния вычисления (компьютерная программа или игра) могут быть хорошо упорядочены — таким образом, что каждый шаг сопровождается «более низким» шагом, то вычисление прекращается.

Неуместно различать два хорошо упорядоченных набора, если они отличаются только «маркировкой своих элементов» или более формально: если элементы первого набора могут быть объединены в пары с элементами второй набор таким образом, что если один элемент меньше другого в первом наборе, то партнер первого элемента меньше партнера второго элемента во втором наборе, и наоборот. Такое взаимно-однозначное соответствие называется изоморфизмом порядка , а два хорошо упорядоченных множества называются изоморфными по порядку или подобными (с пониманием того, что это отношение эквивалентности ).

Формально, если частичный порядок ≤ определен на множестве S, а частичный порядок ≤ ‘определен на множестве S’, то ставит ( S, ≤) и (S ‘, ≤’) изоморфны порядку, если существует биекция f, которая сохраняет порядок. То есть f (a) ≤ ‘f (b) тогда и только тогда, когда a ≤ b. При условии, что существует изоморфизм порядка между двумя хорошо упорядоченными множествами, изоморфизм порядка уникален: это делает вполне оправданным рассмотрение двух множеств как по существу идентичных и поиск «канонического» представителя типа (класса) изоморфизма. Это именно то, что предоставляют ординалы, а также обеспечивает каноническую маркировку элементов любого хорошо упорядоченного набора. Каждый хорошо упорядоченный набор (S, <) is order-isomorphic to the set of ordinals less than one specific ordinal number under their natural ordering. This canonical set is the order type of (S,<).

По сути, порядковый номер предназначен для определения как класс изоморфизма хорошо упорядоченных наборов: то есть как класс эквивалентности для отношения эквивалентности «быть изоморфным по порядку». Однако существует техническая трудность, связанная с тем фактом, что класс эквивалентности слишком велик для того, чтобы быть набором в обычном Цермело –Fraenkel (ZF) формализация теории множеств. Но это не является серьезной трудностью. Можно сказать, что порядковый номер является типом порядка любого набора в классе.

Определение порядкового номера как класса эквивалентности

Исходное определение порядкового номера, найденное, например, в Principia Mathematica, определяет тип порядка хорошо упорядоченного набора как набор всех хорошо -упорядочения, аналогичные (изоморфные по порядку) этому порядковому порядку: другими словами, порядковый номер действительно является классом эквивалентности хорошо упорядоченных множеств. От этого определения следует отказаться в ZF и связанных системы аксиоматической теории множеств, потому что эти классы эквивалентности слишком велики, чтобы образовать множество. Однако это определение все еще может использоваться в теории типов и в аксиоматической теории множеств Куайна Новые основания и связанных с ними системах (где оно предлагает довольно неожиданное альтернативное решение Burali- Форти парадокс наибольшего порядкового номера).

Определение порядковых чисел фон Неймана

Первые несколько порядковых чисел фон Неймана
0 = {} = ∅
1 = {0} = {∅}
2 = {0, 1} = {∅, {∅}}
3 = {0, 1, 2} = {∅, {∅}, {∅, {∅}}}
4 = {0, 1, 2, 3} = {∅, {∅}, {∅, {∅}}, {∅, {∅}, {∅, {∅}}}}

Вместо того, чтобы определять порядковый номер как класс эквивалентности хорошо упорядоченных множеств, он будет определен как конкретный упорядоченный набор, который (канонически) представляет класс. Таким образом, порядковый номер будет упорядоченным набором; и каждый хорошо упорядоченный набор будет изоморфен по порядку ровно одному порядковому номеру.

Для каждого хорошо упорядоченного набора T { displaystyle T}T , a ↦ T < a {displaystyle amapsto T_{{ displaystyle a mapsto T _ {<a}} определяет изоморфизм порядка между T { displaystyle T}T и набор всех подмножеств T { displaystyle T}T , имеющих форму T < a := { x ∈ T ∣ x < a } {displaystyle T_{{ displaystyle T _ {<a}: = {x in T mid x <a }} , упорядоченных путем включения. Это мотивирует стандартное определение, предложенное Джоном фон Нейманом, теперь называемое определением порядковых чисел фон Неймана : «каждый порядковый номер — это упорядоченный набор всех меньших порядковых чисел». В символах λ = [0, λ). Формально:

Множество S является порядковым номером тогда и только тогда, когда S является строго хорошо упорядоченным по отношению к набору членства, и каждый элемент S также является подмножеством S.

Таким образом, по этому определению натуральные числа являются ординалами. Например, 2 является элементом 4 = {0, 1, 2, 3}, а 2 равно {0, 1}, поэтому это подмножество {0, 1, 2, 3}.

С помощью трансфинитной индукции можно показать, что каждый хорошо упорядоченный набор изоморфен по порядку ровно одному из этих ординалов, то есть существует сохраняющая порядок биективная функция между ними.

Кроме того, элементы каждого порядкового номера сами по себе являются ординалами. Учитывая два ординала S и T, S является элементом T тогда и только тогда, когда S является собственным подмножеством T. Более того, либо S является элементом T, либо T является элементом S, либо они равны. Таким образом, каждый набор порядковых номеров полностью упорядочен. Кроме того, каждый набор ординалов упорядочен. Это обобщает тот факт, что каждый набор натуральных чисел упорядочен.

Следовательно, каждый ординал S является набором, имеющим в качестве элементов в точности порядковые номера, меньшие, чем S. Например, каждый набор ординалов имеет супремум, порядковый номер, полученный объединением всех ординалы в наборе. Это объединение существует независимо от размера набора, по аксиоме объединения.

Класс всех порядковых чисел не является набором. Если бы это был набор, можно было бы показать, что это порядковый номер и, следовательно, член самого себя, что противоречило бы его строгой упорядоченности по членству. Это парадокс Бурали-Форти. Класс всех ординалов по-разному называется «Ord», «ON» или «∞».

Порядковый номер конечный тогда и только тогда, когда противоположный порядок также хорошо упорядочен, что имеет место тогда и только тогда, когда каждое из его непустых подмножеств имеет максимум .

Другие определения

Существуют и другие современные формулировки определения порядкового номера. Например, при допущении аксиомы регулярности для набора x следующие эквиваленты:

  • x — порядковый номер,
  • x — транзитивный набор, и членство в множестве является трихотомическим по x,
  • x — транзитивным множеством, полностью упорядоченным включением множества,
  • x — транзитивным множеством транзитивных наборы.

Эти определения нельзя использовать в необоснованных теориях множеств. В теориях множеств с урэлементами необходимо дополнительно убедиться, что определение исключает урэлементы из порядковых номеров.

Трансфинитная последовательность

Если α — любой порядковый номер, а X — множество, α-индексированная последовательность элементов X является функцией от α до X. Это понятие, трансфинитное последовательность (если α бесконечно) или последовательность с порядковым индексом, является обобщением концепции последовательности. Обычная последовательность соответствует случаю α = ω, в то время как конечное α соответствует кортежу (математика), иначе строка (информатика).

Трансфинитная индукция

Трансфинитная индукция выполняется в любом упорядоченном множестве, но она настолько важна по отношению к порядковым числам, что здесь стоит повторить.

Любое свойство, которое переходит из набора ординалов, меньших заданного ординала α, к самому α, истинно для всех ординалов.

То есть, если P (α) истинно, когда P (β) истинно для всех β < α, then P(α) is true for all α. Or, more practically: in order to prove a property P for all ordinals α, one can assume that it is already known for all smaller β < α.

Трансфинитная рекурсия

Трансфинитная индукция может использоваться не только для доказательства вещей, но и для их определения. Такое определение обычно называется трансфинитной рекурсией — для доказательства того, что результат корректно определен, используется трансфинитная индукция. Пусть F обозначает (классовую) функцию F, определяемую на ординалах. Идея теперь состоит в том, что при определении F (α) для неуказанного ординала α можно предположить, что F (β) уже определено для всех β < α and thus give a formula for F(α) in terms of these F(β). It then follows by transfinite induction that there is one and only one function satisfying the recursion formula up to and including α.

Вот пример определения с помощью трансфинитной рекурсии на ординалах (больше будет дано позже): определите функцию F, позволив F (α) быть наименьшим ординалом, не входящим в набор {F (β) | β < α}, that is, the set consisting of all F(β) for β < α. This definition assumes the F(β) known in the very process of defining F; this apparent vicious circle is exactly what definition by transfinite recursion permits. In fact, F(0) makes sense since there is no ordinal β < 0, and the set {F(β) | β < 0} is empty. So F(0) is equal to 0 (the smallest ordinal of all). Now that F(0) is known, the definition applied to F(1) makes sense (it is the smallest ordinal not in the singleton set {F(0)} = {0}), and so on (the and so on is exactly transfinite induction). It turns out that this example is not very exciting, since provably F(α) = α for all ordinals α, which can be shown, precisely, by transfinite induction.

Последующие и предельные порядковые номера

Любой ненулевой порядковый номер имеет минимальный элемент, ноль. Он может иметь или не иметь максимальный элемент. Например, 42 имеет максимум 41, а ω + 6 имеет максимум ω + 5. С другой стороны, ω не имеет максимума, поскольку нет наибольшего натурального числа. Если порядковый номер имеет максимальное значение α, то он является следующим порядковым номером после α и называется порядковым номером-преемником, а именно преемником α, записываемым α + 1. В определении ординалов фон Неймана преемником α является α ∪ {α} { displaystyle alpha cup { alpha }} alpha cup { alpha } , поскольку его элементы являются элементами α и α

Ненулевой порядковый номер, не являющийся преемником, называется предельным порядковым номером. Одним из оправданий этого термина является то, что предельный порядковый номер — это предел в топологическом смысле всех меньших порядковых номеров (в соответствии с топологией порядка ).

Когда ⟨α ι | ι < γ ⟩ {displaystyle langle alpha _{iota }|iota <gamma rangle } langle alpha _ { iota} | iota < gamma rangle представляет собой последовательность с порядковым индексом, индексируемую пределом γ, и последовательность возрастает, то есть α ι < α ρ {displaystyle alpha _{iota }<alpha _{rho }!} alpha _ { iota} < alpha _ { rho} ! всякий раз, когда ι < ρ, {displaystyle iota <rho,!} iota < rho, ! ее предел определяется как наименьшая верхняя граница множества {α ι | ι < γ }, {displaystyle {alpha _{iota }|iota <gamma },!} { alpha _ { iota} | iota < gamma }, ! то есть наименьший порядковый номер (он всегда существует), больший, чем любой член последовательности. В этом смысле предельный порядковый номер — это предел всех меньших порядковых чисел (индексированных сам по себе). Проще говоря, это верхняя грань множества меньших ординалов.

Другой способ определения предельного ординала состоит в том, чтобы сказать, что α является предельным ординалом тогда и только тогда, когда:

Существует порядковый номер меньше, чем α, и если ζ является порядковым номером меньше, чем α, то существует ординал ξ такой, что ζ < ξ < α.

Итак, в следующей последовательности:

0, 1, 2,…, ω, ω + 1

ω является предельным ординалом, потому что для любого меньшего ординала (в этом примере натуральное число) есть другой порядковый номер (натуральное число), больший его, но все же меньший, чем ω.

Таким образом, каждый порядковый номер является либо нулем, либо преемником (четко определенного предшественника), либо пределом. Это различие важно, потому что многие определения с помощью трансфинитной рекурсии основываются на нем. Очень часто при определении функции F трансфинитной рекурсией по всем ординалам определяют F (0) и F (α + 1), предполагая, что F (α) определено, а затем для предельных ординалов δ определяют F (δ) как предел F (β) для всех β <δ (either in the sense of ordinal limits, as previously explained, or for some other notion of limit if F does not take ordinal values). Thus, the interesting step in the definition is the successor step, not the limit ordinals. Such functions (especially for F nondecreasing and taking ordinal values) are called continuous. Ordinal addition, multiplication and exponentiation are continuous as functions of their second argument (but can be defined non-recursively).

Классы индексации ординалов

Любой хорошо упорядоченный набор подобен (изоморфен порядку) уникальному порядковому номеру α { Displaystyle alpha} alpha ; другими словами, его элементы могут быть проиндексированы в возрастающем порядке порядковыми номерами меньше α { displaystyle alpha} alpha . Это применимо, в частности, к любому набору ординалов: любой набор ординалов, естественно, индексируется порядковыми числами меньше некоторого α { displaystyle alpha} alpha . То же самое, с небольшой модификацией, относится к классам ординалов (набор ординалов, возможно, слишком большой, чтобы сформировать набор, определяемый некоторым свойством): любой класс ординалов может быть проиндексирован ординалами (и, когда класс неограничен в классе всех ординалов это ставит его в класс-биекцию с классом всех ординалов). Итак, γ { displaystyle gamma} gamma -й элемент в классе (с условием, что «0-й» — самый маленький, «1-й» — следующий самый маленький, и так далее) можно свободно говорить. Формально определение осуществляется путем трансфинитной индукции: γ { displaystyle gamma} gamma -й элемент класса определен (при условии, что он уже был определен для всех β < γ {displaystyle beta <gamma } beta < gamma ), как наименьший элемент больше, чем β { displaystyle beta} beta -й элемент для всех β < γ {displaystyle beta <gamma } beta < gamma .

Это может быть применено, например, к классу предельных порядковых номеров: γ { displaystyle gamma} gamma -й порядковый номер, который является либо пределом, либо нулем: ω ⋅ γ { displaystyle omega cdot gamma} omega cdot gamma (см. порядковая арифметика для определения умножения порядковых чисел). Точно так же можно рассмотреть аддитивно неразложимые порядковые числа (означающие ненулевой порядковый номер, который не является суммой двух строго меньших порядковых номеров): γ { displaystyle gamma} gamma -th аддитивно неразложимый порядковый номер индексируется как ω γ { displaystyle omega ^ { gamma}} omega ^ { gamma} . Техника индексации классов порядковых номеров часто используется в контексте фиксированных точек: например, γ { displaystyle gamma} gamma -й порядковый номер α { displaystyle alpha} alpha так, что ω α = α { displaystyle omega ^ { alpha} = alpha} omega ^ { alpha} = alpha записывается как ε γ { displaystyle varepsilon _ { гамма}} varepsilon _ { gamma} . Они называются «эпсилон-числа ».

Замкнутые неограниченные множества и классы

Класс C { displaystyle C}C порядковых чисел называется неограниченным или cofinal, когда задан любой порядковый номер α { displaystyle alpha} alpha , существует β { displaystyle beta} beta в C { displaystyle C}C такой, что α < β {displaystyle alpha <beta } alpha < beta (тогда класс должен быть правильным классом, т.е. он не может быть набором). Он называется закрытым, когда предел последовательности порядковых чисел в классе снова находится в классе: или, что то же самое, когда функция индексации (класс-) F { displaystyle F}F является непрерывным в том смысле, что для δ { displaystyle delta} delta предельный порядковый номер F (δ) { displaystyle F ( delta)}F ( delta) (δ { displaystyle delta} delta -й порядковый номер в классе) является пределом всех F (γ) { displaystyle F ( gamma)}F ( gamma) для γ < δ {displaystyle gamma <delta } gamma < delta ; это также то же самое, что быть закрытым в топологическом смысле для топологии порядка (чтобы не говорить о топологии на правильных классах, можно потребовать, чтобы пересечение класса с любой данный ординал замкнут для топологии порядка на этом ординале, это снова эквивалентно).

Особое значение имеют те классы ординалов, которые являются закрытыми и неограниченными, иногда называемыми клубами . Например, класс всех предельных ординалов замкнут и неограничен: это означает, что всегда существует предельный порядковый номер, превышающий данный порядковый номер, и что предел предельных ординалов является предельным ординалом (удачный факт, если терминология иметь хоть какой-то смысл!). Класс аддитивно неразложимых ординалов или класс ε ⋅ { displaystyle varepsilon _ { cdot}} varepsilon _ { cdot} ординалов, или класс кардиналов, все закрыты неограниченный; набор обычных кардиналов, однако, неограничен, но не замкнут, и любой конечный набор ординалов замкнут, но не неограничен.

Класс является стационарным, если он имеет непустое пересечение с каждым замкнутым неограниченным классом. Все суперклассы замкнутых неограниченных классов являются стационарными, а стационарные классы неограничены, но есть стационарные классы, которые не являются замкнутыми, и стационарные классы, у которых нет замкнутого неограниченного подкласса (например, класс всех предельных ординалов со счетной конфинальностью). Поскольку пересечение двух замкнутых неограниченных классов замкнуто и неограниченно, пересечение стационарного класса и замкнутого неограниченного класса стационарно. Но пересечение двух стационарных классов может быть пустым, например класс ординалов конфинальности ω с классом ординалов несчетной конфинальности.

Вместо того, чтобы формулировать эти определения для (собственных) классов порядковых чисел, их можно сформулировать для наборов порядковых чисел ниже заданного порядкового номера α { displaystyle alpha} alpha : подмножество предельного порядкового номера α { displaystyle alpha} alpha считается неограниченным (или cofinal) при α { displaystyle alpha} alpha при условии, что любой порядковый номер меньше α { displaystyle alpha} alpha меньше некоторого порядкового номера в наборе. В более общем смысле, можно назвать подмножество любого порядкового номера α { displaystyle alpha} alpha cofinal в α { displaystyle alpha} alpha при условии, что каждый порядковый номер меньше α { displaystyle alpha} alpha меньше или равно некоторому порядковому номеру в наборе. Подмножество считается закрытым в соответствии с α { displaystyle alpha} alpha при условии, что оно закрыто для топологии заказа в α { displaystyle alpha} alpha , т.е. предел порядковых номеров в наборе находится либо в наборе, либо равен самому α { displaystyle alpha} alpha .

Арифметика порядковых чисел

Есть три обычные операции с порядковыми числами: сложение, умножение и (порядковое) возведение в степень. Каждый может быть определен двумя разными способами: либо путем создания явного упорядоченного набора, представляющего операцию, либо с помощью трансфинитной рекурсии. Нормальная форма Кантора обеспечивает стандартизированный способ записи порядковых чисел. Он однозначно представляет каждый ординал как конечную сумму порядковых степеней ω. Однако это не может служить основой универсальной порядковой записи из-за таких самореферентных представлений, как ε 0 = ω. Так называемые «естественные» арифметические операции сохраняют коммутативность за счет непрерывности.

Обозначаемые как числа, порядковые числа также подлежат быстрым арифметическим операциям.

Ординалы и кардиналы

Начальный порядковый номер кардинала

Каждый ординал ассоциируется с одним кардиналом, его мощностью. Если между двумя ординалами существует взаимно однозначное соответствие (например, ω = 1 + ω и ω + 1>ω), то они ассоциируются с одним и тем же кардиналом. Любой хорошо упорядоченный набор, имеющий порядковый номер в качестве типа порядка, имеет ту же мощность, что и этот порядковый номер. Наименьший ординал, связанный с данным кардиналом, называется начальным ординалом этого кардинала. Каждый конечный ординал (натуральное число) является начальным, и никакие другие порядковые числа не связаны с его кардиналом. Но большинство бесконечных ординалов не являются начальными, так как многие бесконечные ординалы связаны с одним и тем же кардиналом. Аксиома выбора эквивалентна утверждению, что каждый набор может быть хорошо упорядочен, то есть что каждый кардинал имеет начальный порядковый номер. В теориях с аксиомой выбора кардинальное число любого множества имеет начальный порядковый номер, и можно использовать кардинальное присвоение фон Неймана в качестве кардинального представления. (Однако тогда мы должны быть осторожны, чтобы различать кардинальную арифметику и порядковую арифметику.) В теориях множеств без аксиомы выбора кардинал может быть представлен множеством множеств с этой мощностью, имеющей минимальный ранг (см. трюк Скотта ).

Одна проблема с уловкой Скотта заключается в том, что он определяет кардинальное число 0 { displaystyle 0}{ displaystyle 0} с помощью {∅} { displaystyle { emptyset }}{ displaystyle { emptyset }} , который в некоторых формулировках является порядковым номером 1 { displaystyle 1}1. Возможно, будет яснее применить кардинальное присваивание фон Неймана к конечным случаям и использовать трюк Скотта для множеств, которые являются бесконечными или не допускают хорошего упорядочения. Обратите внимание, что кардинальная и порядковая арифметика совпадают для конечных чисел.

α-й бесконечный начальный порядковый номер записывается как ω α { displaystyle omega _ { alpha}} omega _ { alpha } , это всегда предельный порядковый номер. Его мощность записывается как ℵ α { displaystyle aleph _ { alpha}} aleph _ { alpha} . Например, мощность ω 0 = ω равна ℵ 0 { displaystyle aleph _ {0}} aleph _ {0} , что также является мощностью ω или ε <105.>0 (все счетные порядковые числа). Таким образом, ω можно идентифицировать с помощью ℵ 0 { displaystyle aleph _ {0}} aleph _ {0} , за исключением того, что запись ℵ 0 { displaystyle aleph _ {0}} aleph _ {0} используется при записи кардиналов, а ω — при записи порядковых чисел (это важно, поскольку, например, ℵ 0 2 { displaystyle aleph _ {0} ^ {2}} aleph _ {0} ^ {2} = ℵ 0 { displaystyle aleph _ {0}} aleph _ {0} тогда как ω 2>ω { displaystyle omega ^ {2}> omega}{displaystyle omega ^{2}> omega} ). Также ω 1 { displaystyle omega {1}} omega _ {1} — наименьший несчетный порядковый номер (чтобы убедиться, что он существует, рассмотрим набор классов эквивалентности правильного упорядочения натуральных чисел: каждый такой правильный порядок определяет счетный порядковый номер, и ω 1 { displaystyle omega _ {1}} omega _ {1} — тип заказа этого набора), ω 2 { displaystyle omega _ {2}} omega _ {2} — наименьший порядковый номер, мощность которого больше ℵ 1 { displaystyle aleph _ {1}} aleph _ {1} и так далее, и ω ω { displaystyle omega _ { omega}} omega _ { omega} является пределом ω n { displaystyle omega _ {n}} omega _ {n} для натуральных чисел n (любой предел кардиналов является кардинальным, поэтому этот предел действительно является первым кардиналом после всех ω n { displaystyle omega _ {n}} omega _ {n} ).

Cofinality

cofinality порядкового номера α { displaystyle alpha} alpha является наименьшим порядковым номером δ { displaystyle delta} delta , который является типом заказа cofinal подмножества α { displaystyle alpha} alpha . Обратите внимание, что ряд авторов определяют cofinality или используют его только для порядковых номеров пределов. Конфинальность набора ординалов или любого другого хорошо упорядоченного набора — это конфинальность типа заказа этого набора.

Таким образом, для предельного порядкового номера существует δ { displaystyle delta} delta -индексированная строго возрастающая последовательность с пределом α { displaystyle alpha} alpha . Например, конфинальность ω² равна ω, потому что последовательность ω · m (где m пробегает натуральные числа) стремится к ω²; но в более общем смысле любой счетный предельный ординал имеет конфинальность ω. Неисчислимый предельный порядковый номер может иметь либо конфинальность ω, как ω ω { displaystyle omega _ { omega}} omega _ { omega} , либо бесчисленную конфинальность.

Конфинальность 0 равна 0. А конфинальность любого последующего порядкового номера равна 1. Конфинальность любого предельного порядкового номера не менее ω { displaystyle omega} omega .

Порядковый номер, который равен к его cofinality называется регулярным и всегда является начальным порядковым номером. Любой предел регулярных порядковых чисел является пределом начальных порядковых номеров и, следовательно, также является начальным, даже если он не является регулярным, что обычно не так. Если аксиома выбора, то ω α + 1 { displaystyle omega _ { alpha +1}} omega _ { alpha +1} регулярно для каждого α. В этом случае порядковые номера 0, 1, ω { displaystyle omega} omega , ω 1 { displaystyle omega _ {1}} omega _ {1} и ω 2 { displaystyle omega _ {2}} omega _ {2} являются обычными, тогда как 2, 3, ω ω { displaystyle omega _ { omega}} omega _ { omega} и ω ω · 2 — начальные ординалы, которые не являются правильными.

Конфинальность любого ординала α является правильным ординалом, то есть конфинальность конфинальности α такая же, как конфинальность α. Таким образом, операция конфинальности идемпотент.

Некоторые «большие» счетные порядковые числа

Как упоминалось выше (см. нормальная форма Кантора ), порядковый номер ε 0 — наименьшее, удовлетворяющее уравнению ω α = α { displaystyle omega ^ { alpha} = alpha} omega ^ { alpha} = alpha , поэтому это предел последовательности 0, 1, ω { displaystyle omega} omega , ω ω { displaystyle omega ^ { omega}} omega ^ { omega} , ω ω ω { displaystyle omega ^ { omega ^ { omega}}} omega ^ { omega ^ { omega}} и т. д. Многие порядковые числа могут быть определены таким образом, как фиксированные точки некоторых порядковых функций (ι { displaystyle iota} iota -й порядковый номер такой, что ω α = α { displaystyle omega ^ { alpha} = alpha} omega ^ { alpha} = alpha называется ε ι { displaystyle varepsilon _ { iota}} varepsilon _ { iota} , тогда можно продолжать попытки найти ι { displaystyle iota} iota -й порядковый номер такой, что ε α = α { displaystyle varepsilon _ { alpha} = alpha} varepsilon _ { alpha} = alpha , «и так далее», но вся тонкость заключается в «и так далее»). Можно попытаться делать это систематически, но независимо от того, какая система используется для определения и построения ординалов, всегда есть ординал, который находится чуть выше всех ординалов, построенных системой. Возможно, самый важный порядковый номер, который ограничивает систему построения таким образом, — это порядковый номер Чёрча – Клини, ω 1 CK { displaystyle omega _ {1} ^ { mathrm {CK}} } omega _ {1} ^ { mathrm {CK}} (несмотря на ω 1 { displaystyle omega _ {1}} omega _ {1} в имени, этот порядковый номер исчисляем), который является наименьшим порядковым номером, который не может ни в одном может быть представлена ​​вычислимой функцией (конечно, это можно сделать строго). Однако ниже ω 1 CK { displaystyle omega _ {1} ^ { mathrm {CK}}} omega _ {1} ^ { mathrm {CK}} можно определить довольно большие порядковые числа, которые измеряют «теоретико-доказательную силу» некоторые формальные системы (например, ε 0 { displaystyle varepsilon _ {0}} varepsilon _ {0} измеряет силу арифметики Пеано ). Большие счетные порядковые числа, такие как счетные допустимые порядковые числа, также могут быть определены над порядковыми числами Черча-Клини, которые представляют интерес в различных частях логики.

Топология и порядковые числа

Любой порядковый номер можно превратить в топологическое пространство , наделив его топологией порядка ; эта топология дискретна тогда и только тогда, когда порядковый номер является счетным кардиналом, то есть не более ω. Подмножество ω + 1 открыто в топологии порядка тогда и только тогда, когда оно либо cofinite, либо не содержит ω как элемент.

См. Раздел Топология и порядковые номера статьи «Топология порядка».

Наборы порядковых номеров, закрытые вниз

Набор является закрытым вниз, если в наборе также есть что-либо меньшее, чем элемент набора. Если набор порядковых номеров закрыт вниз, то этот набор является порядковым — наименьшим порядковым номером, отсутствующим в наборе.

Примеры:

  • Набор порядковых номеров меньше 3 равен 3 = {0, 1, 2}, наименьший порядковый номер не меньше 3.
  • Набор конечных порядковых номеров бесконечен, наименьший бесконечный порядковый номер: ω.
  • Набор исчисляемых порядковых чисел неисчислим, наименьший несчетный порядковый номер: ω 1.

История

Трансфинитные порядковые числа, впервые появившиеся в 1883 году, возникли в работе Кантора с производными наборами . Если P является набором действительных чисел, производное множество P ‘является набором предельных точек P. В 1872 году Кантор сгенерировал наборы P, применив операцию производного набора n раз к P. В 1880 году, он указал, что эти множества образуют последовательность P ‘⊇ ··· ⊇ P ⊇ P ⊇ ···, и продолжил процесс вывода, определив P как пересечение этих множеств. Затем он повторил операцию производного множества и пересечения, чтобы расширить свою последовательность множеств до бесконечности: P ⊇ P ⊇ P ⊇ ··· ⊇ P ⊇ ··· ⊇ P ⊇ ···. Верхние индексы, содержащие ∞, являются просто индексами, определяемыми процессом вывода.

Кантор использовал эти множества в теоремах: (1) Если P = ∅ для некоторого индекса α, то P ‘счетно; (2) Наоборот, если P ‘счетно, то существует индекс α такой, что P = ∅. Эти теоремы доказываются путем разбиения P ‘на попарно непересекающиеся множества: P’ = (P ‘∖ P) ∪ (P ∖ P) ∪ ··· ∪ (P ∖ P) ∪ ··· ∪ P.Для β < α: since P contains the limit points of P, the sets P ∖ P have no limit points. Hence, they are дискретных множеств, поэтому они счетны. Доказательство первой теоремы: если P = ∅ для некоторого индекса α, то P ‘- счетное объединение счетных множеств. Следовательно, P ‘счетно.

Вторая теорема требует доказательства существования такого α, что P = ∅. Чтобы доказать это, Кантор рассмотрел множество всех α, имеющих счетное число предшественников. Чтобы Определив это множество, он определил трансфинитные порядковые числа и преобразовал бесконечные индексы в ординалы, заменив ∞ на ω, первое трансфинитное порядковое число. Кантор назвал набор конечных ординалов первым классом чисел . Второй числовой класс — это набор ординалов, предшественники которых образуют счетно бесконечное множество. Множество всех α, имеющих счетное количество предшественников, то есть множество счетных ординалов, является объединением этих двух числовых классов. Кантор доказал, что мощность второго числового класса является первой несчетной мощностью.

Вторая теорема Кантора принимает следующий вид: если P ‘счетно, то существует счетный ординал α такой, что P = ∅. Его доказательство использует доказательство от противоречия. Пусть P счетно, и пусть такого α нет. Это предположение дает два случая.

  • Случай 1: P ∖ P непусто для всех счетных β. Так как таких попарно непересекающихся множеств несчетно много, их объединение несчетно. Это объединение является подмножеством P ‘, поэтому P’ несчетно.
  • Случай 2: P ∖ P пусто для некоторого счетного β. Поскольку P ⊆ P, это означает, что P = P. Таким образом, P является совершенным множеством, поэтому оно несчетно. Поскольку P ⊆ P ‘, множество P’ несчетно.

В обоих случаях P ‘несчетно, что противоречит тому, что P’ счетно. Следовательно, существует счетный ординал α такой, что P = ∅. Работа Кантора с производными множествами и порядковыми числами привела к теореме Кантора-Бендиксона.

. Используя преемников, ограничения и мощность, Кантор создал неограниченную последовательность порядковых чисел и классов чисел. (Α + 1) -й числовой класс — это набор ординалов, предшественники которых образуют набор той же мощности, что и α-й числовой класс. Мощность (α + 1) -го числового класса — это мощность, следующая сразу за мощностью α-го числового класса. Для предельного порядкового числа α α-й числовой класс является объединением β-ых числовых классов для β < α. Its cardinality is the limit of the cardinalities of these number classes.

Если n конечно, n-ый числовой класс имеет мощность ℵ n — 1 { displaystyle Алеф _ {n-1}}{ displaystyle aleph _ {n-1 }} . Если α ≥ ω, класс α-го числа имеет мощность ℵ α { displaystyle aleph _ { alpha}} aleph _ { alpha} . Следовательно, мощности числовых классов взаимно однозначно соответствуют числам алеф. Кроме того, α-й числовой класс состоит из порядковых номеров, отличных от порядковых номеров в предыдущих числовых классах, тогда и только тогда, когда α — неограниченный порядковый номер. Следовательно, классы с неограниченным числом разбивают ординалы на попарно непересекающиеся множества.

См. Также

  • Подсчет
  • Четные и нечетные порядковые номера
  • Первый несчетный порядковый номер
  • Порядковый интервал

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите ординал в Wiktionary, бесплатном словаре.
  • , Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
  • Ordinals at ProvenMath
  • Ordinal Calculator GPL бесплатное программное обеспечение для вычислений с порядковыми и порядковыми обозначениями
  • Глава 4 лекции Дона Монка примечания по теории множеств — введение в порядковые числа.

  • Как найти пользователя по номеру телефона
  • Как найти полицейского по номеру жетона
  • Как найти подписки в телефоне xiaomi
  • Как найти подписки в телефоне samsung
  • Как найти подключенный телефон в компьютере