两个同构(isomorphic)的良序集(Well-Ordered Set),拥有同样的序型(Order-Type),那么序数(Ordinal)就是指良序集的序型(Order-Type)。
集合(Set)传递性(Transitivity): ∀a∈S. (a ⊂ S)
当一个集合S是传递的,而且(S,∈)是良序的,那么该集合S称为一个序数。所有序数组成的序数宇宙,称为 Ord,(Ordinals 的简称)。
对于序数而言(Ordinals),a < b 等价于 a∈ b 。
直观感受(Intuition)
这里,需要理解序数中要求的传递性(Transitivity),即 ∀a∈S. (a ⊂ S),对于序数中的任一元素 a,该元素a同时是S的子集。
通过形态分析法,令集合S = {..., {e}, ... }, a= {e}, 即 a ∈ S,如果,S 是序数的话,根据序数传递性,有 a ⊂ S,那么,集合S形态为 { ..., e, ..., {e}, ... }。
此时,有 e ∈ S,那么,e ⊂ S,则,e 含有的元素,都被集合 S 所包含,如此往下,
即 S = { ..., e ∪ {e}, ... }。
直至,存在一个元素x,其不再包含任何元素,即 x = ∅,即
S = { ..., ∅∪ { ... {∅∪ { ∅∪ {∅} } } ... }, ... }
那么,对于序数S里的每一元素,上述的形态分析法也适用,这就说明了,序数S中的每个元素,最终的落脚点是空集∅,那么∅必然是序数S中的最基础的元素。以及,序数中其它元素都通过对空集的重重包含关系来构建。即
S = { ∅∪ { ... {∅∪ { ∅∪ {∅} } } ... } }
上述的论证只是一种直观的感受,下面通过严格的论证,以证明序数具备的属性(Properties)。
序数例子(Example)
通过上述定义,可证明下图中的序数符合序数的要求。
即,n = { 0, ..., n - 1 } = (n - 1) ∪ {n - 1} 。
也就是,每个序数代表一个满足序数要求的集合,即传递性与从属关系(∈)的良序性。从上述例子可以看出,所有序数组成的序数宇宙,为什么要称为序数宇宙,而非序数集合。也是就,当N趋向无穷大(Infinity)时,Ord = {0, 1, 2, ... },那么就有 Ord ∈ Ord,这个是不被允许的,会导致罗素悖论,因此,Ord 需要跟实际的序数0, 1, 2, ...,存在不同的层次中,因此,Ord 被称为序数宇宙,而非序数集合。
下面,证明几个有关序数的引理(Lemma):
一、 0 = ∅ 是序数。
作为序数有两条件,即序数条件:
1. 序数的传递性(Transitivity),即 ∀a∈S. (a ⊂ S)。
2. 从属关系(∈)上的良序性(Well-Orderedness)。
另,良序性也包括四个条件,其中,前二为偏序的要求,前三为线序的要求,
2.1. 非自反性(non-reflexivity):∀s∈S.( s !∈ s )
2.2. 良序的传递性(transitivity):∀p,q,r∈S.(p∈q ∧ q ∈ r → p ∈ r)
2.3. 可比性(Comparability):∀p,q∈S.(p ∈ q ∨ p = q ∨ q ∈ p)
2.4. 任意子集都具备最小元素:∀s∈P(S).∃a∈s.∀x∈s.(a ∈ x ∨ a = x)
那么,因为空集 ∅不包含元素,因此,上述5个条件自然成立(Trivial),由此,0 = ∅ 是序数。
二、如果 a 是序数,且 b ∈ a,那么 b 也是序数。
即,isOrdinal(a) ∧ b ∈ a → isOrdinal(b)
证:
因,isOrdinal(a) ⇒ ∀x∈a. (x ⊂ a),有 b ∈ a ⇒ b ⊂ a。
又因,isOrdinal(a) ⇒ isWellOrdered(a),且,b ⊂ a,因此,isWellOrdered(b),即,因为b ⊂ a,集合a中元素的良序关系(Well-Ordered)得以保留(Preserved)。
还要证,∀x ∈ b. (x ⊂ b),即 ∀x ∈ b. (∀ c ∈ x. (c ∈ b) )
因, b ⊂ a,有,x ∈ a,那么,x ⊂ a;
又因,c ∈ x,有,c ∈ a;
即,c ∈ a,x ∈ a,b ∈ a,又因序数a具备良序的传递性(transitivity),
即,∀c,x,b∈a.(c ∈ x ∧ x ∈ b → c ∈ b)
由此,可证,∀x ∈ b. (∀ c ∈ x. (c ∈ b) )。
那么,b 既具备良序性及传递性,b 是序数,
即,isOrdinal(a) ∧ b ∈ a → isOrdinal(b)。
三、如果 a, b 都是序数,且 a ≠ b,和,a ⊂ b,那么 a ∈ b。
即,isOrdinal(a) ∧ isOrdinal(b) ∧ a ≠ b ∧ a ⊂ b → a ∈ b
证:
isOrdinal(a) ∧ isOrdinal(b) ⇒ isWellOrdered(a) ∧ isWellOrdered(b)
根据,良序定理,即,
isWellOrdered(a) ∧ isWellOrdered(b) → a ≅ b ∨ a ≅ {x ∈ b: x < n} ∨ b ≅ {x ∈ a: x < n}
又,a ⊂ b,那么,a = {x ∈ b: x < n}
令,c 为差集(b - a)的最小元素,那么,a = {x ∈ b: x < c}
又,isOrdinal(a) ∧ isOrdinal(b),有,a = {x ∈ b: x ∈ c} = c
又,c ∈ b,所以,a ∈ b,即,有
isOrdinal(a) ∧ isOrdinal(b) ∧ a ≠ b ∧ a ⊂ b → a ∈ b 。
四、如果 a, b 都是序数,那么 a ⊂ b 或 b ⊂ a 。
即,isOrdinal(a) ∧ isOrdinal(b) → a ⊂ b ∨ b ⊂ a
证:
isOrdinal(a) ∧ isOrdinal(b) ⇒ isWellOrdered(a) ∧ isWellOrdered(b)
根据,良序定理,即,
isWellOrdered(a) ∧ isWellOrdered(b) → a ≅ b ∨ a ≅ {x ∈ b: x < n} ∨ b ≅ {x ∈ a: x < n}
那么,isOrdinal(a) ∧ isOrdinal(b) → a = b ∨ a = {x ∈ b: x ∈ n} ∨ b = {x ∈ a: x ∈ n},其中,n 为 a 与 b 的差集。
这里,使用了 = 替代 ≅,是因为 序数中定义的关系为 从属关系( ∈ ),即,序数与其元素的关系既为从属关系( ∈ ),亦为子集关系(⊂),即当回退(Reduce)到最根本的元素时,就是空集 ∅。这也是根据序数的定义,通过其传递性,使得基于空集 ∅,构建出后续的序数,即约束了一个序数的元素必须是该序数的子集,也就是要求,一个序数必须包含前序数作为其元素。
那么,
当,a = b,有 a ⊂ b;
当,a = {x ∈ b: x ∈ n},有 a ⊂ b;
当,b = {x ∈ a: x ∈ n},有 b ⊂ a;
即,isOrdinal(a) ∧ isOrdinal(b) → a ⊂ b ∨ b ⊂ a 。