Существуют ли фундаментальные теории математики без констант?

Одной из самых простых полезных аксиоматических систем в математике являются аксиомы Пеано для натуральных чисел. Примечательно, что он имеет только одну константу (ноль).

Можно предположить, что можно покончить с этой единственной константой, рассмотрев аксиоматическую структуру для целых чисел, не имеющих выделенного начального значения. Обычная конструкция для целых чисел, которая проходит через натуральные числа, похоже, отрицает такую ​​возможность. (В качестве альтернативы можно показать, что у него есть уникальная модель, возможно ли это)?

ZFC также имеет константы через аксиому бесконечности - что существует бесконечное множество - альтернативный способ увидеть это состоит в том, что в теории топосов, которая является обобщенной теорией множеств, замена аксиомы бесконечности - это объект натуральных чисел, который является категориальным эквивалентом аксиом Пеано, поэтому мы вернулись к первому случаю, упомянутому выше.

Итак, топос не обязательно имеет объект натуральных чисел, так что, возможно, это могло бы считаться такой теорией, если рассматривать ее фундаментально; или, поскольку топосы описываются с помощью теории категорий, возможно, теория категорий, если рассматривать ее в основе, является такой теорией. Так ли это на самом деле, или на самом деле константа ввезена каким-то другим (хитрым) путем?

Конечно, есть теории без констант — просто возьмите любую теорию и отбросьте все ссылки на константы; мы даже можем найти полезные примеры — куча , которая по существу моделирует группу с ее действием сопряжения (а также, что довольно забавно, является естественным примером математической структуры с тернарной , а не бинарной операцией); вопрос, который я задаю, заключается в том, что он должен иметь основополагающий характер — как ZFC, теория категорий или аксиомы Пеано.

Я думаю, вам придется определить, что вы подразумеваете под «константой». В ZF аксиома бесконечности утверждает просто, что существует бесконечное множество, которое никогда не называется и которое используется только для подтверждения существования пустого множества (и для гарантии того, что теория явно допускает множественность бесконечных множеств); но подобно богу-деисту, подготовившему почву для теоретико-множественной вселенной, он не играет никакой роли в теории. Он даже никогда не упоминается, как и никакие свойства, присущие только ему. Я бы не стал называть это константой.
Как бы выглядел фонд «без констант»? В ZF-Infinity просто утверждается существование пустого множества; это, очевидно, константа, потому что она выделяется своим исключительным свойством не иметь элементов. Как мы можем предотвратить превращение этой константы в фундаментальную, не вводя другие константы, как в ZF? Возможно, гарантируя, что некоторый предикат пустого множества (например, ∀x∈S:x≠x) порождает множество. Это именно то, что делается в ZF: свойство бесконечности (например, ∃x∈S ∃f:S→S: (f инъективно и x∉img(f)) является предикатом, который, как мы утверждаем, имеет (не единственный) экземпляры.
В теории моделей можно явно описать константу; но я хотел некоторой двусмысленности, так как я не совсем был уверен, что я имею в виду под константой. Из любопытства, рассматривал ли кто-нибудь ситуацию ZF без аксиомы бесконечности, но с утверждением пустого множества. Насколько далеки мы от традиционного ZF?
Казалось бы, это можно интерпретировать двояко с PA: см. mathoverflow.net/a/555/3723 .
Как насчет попытки определить константы в лямбда-исчислении. Я не могу сказать слишком много об этом, я начинаю изучать предмет. Кроме того, считаете ли вы ИСТИНА и ЛОЖЬ константами. Я бы предположил, что в любом типе теории вокруг них будут какие-то константы, независимо от того, являются ли они частью вашей базовой теории или являются определенными понятиями, это другой вопрос.

Ответы (1)

Я думаю, что ни одна из стандартных фундаментальных теорий математики не использует константы по существу.

В примере ZFC в языке нет постоянных символов, и обычно считается, что официальный формальный язык теории множеств имеет только отношение принадлежности к множеству ∈ и равенство без констант. Как говорит Ниль в комментариях, аксиома бесконечности утверждает существование объекта (индуктивного множества), но это утверждение существования можно сделать без обязательного введения каких-либо констант.

В случае арифметики, хотя обычные аксиоматизации PA включают две константы, одну для 0 и одну для 1, на самом деле обе они могут быть опущены без ущерба для выразимости теории. Причина в том, что 0 является определимым объектом, поскольку это единственное натуральное число, которое не является S(x) для любого x, и поэтому нам не нужен постоянный символ 0 для ссылки на него. Точно так же число 1 можно определить как преемника уникального объекта, который не является преемником, и поэтому нам не нужна 1 в языке.

Таким образом, кажется, что ответ на ваш вопрос заключается в том, что да, действительно, существуют фундаментальные теории математики без констант, и стандартные фундаментальные теории арифметики и теории множеств могут быть реализованы без констант.