內容簡介
This book has two main themes: the Baire category theorem as a method for proving existence, and the "duality" between measure and category. The category method is illustrated by a variety of typical applications, and the analogy between measure and category is explored in all of its ramifications. To this end, the elements of metric topology are reviewed and the principal properties of Lebesgue measure are derived. It turns out that Lebesgue integration is not essential for present purposes——the Riemann integral is sufficient. Concepts of general measure theory and topology are introduced, but not just for the sake of generality. Needless to say, the term "category" refers always to Baire category; it has nothing to do with the term as it is used in homological algebra
內頁插圖
目錄
1.MeasureandCategoryontheLine
2.LiouvilleNumbers
3.LebesgueMeasureinr-Space
4.ThePropertyofBaire
5.Non-MeasurableSets
6.TheBanach-MazurGame
7.FunctionsofFirstClass
8.TheTheoremsofLusinandEgoroff
9.MetricandTopologicalSpaces
10.ExamplesofMetricSpaces
11.NowhereDifferentiableFunctions
12.TheTheoremofAlexandroff
13.TransformingLinearSetsintoNullsets
14.Fubini'sTheorem
15.TheKuratowski-UlamTheorem
16.TheBanachCategoryTheorem
17.ThePoincareRecurrenceTheorem
18.TransitiveTransformations
19.TheSierpinski-ErdosDualityTheorem
20.ExamplesofDuality
21.TheExtendedPrincipleofDuality
22.CategoryMeasureSpaces
SupplementaryNotesandRemarks
References
SupplementaryReferences
Index
前言/序言
This book has two main themes:the Baire category theorem as a method for proving existence。and the“duality”between me.~SUl'e and category. The category method iS illustrated by a variety of typical applications, and the analogy between measure and category iS explored in all of its ramifications.To this end,the elements of metric topology are reviewed and the principal properties of Lcbesgue measure are derived.It turns out that Lebesgue integration is not essential for present purposes-ltheRiemann integral is SUfIident.Concepts of general measure theory andtopology are introduced,but not iust for the sake of generality.Needlesstosay,theterm“category”refersalwaystoBairecategory;ithasnothingtodOwiththetermasitiSusedin homologicalalgebra.
A knowiedge of calculus is presupposed,and some familiarity with the algebra of sets.The questions discussed are ones that lend themselves naturally to set-theoretical formulation.The book is intended as an introduction to this kind of analysis.It could be used to supplement a standard cOUrse in real analysis,as the basis for a seminar,or for inde. pendent study.It is primarily expository。but a few refinements of known results are included,notably Theorem 15.6 and Proposition 204.The references are not intended to be complete.Frequently a secondary source is cited where additional references may be found.
The book iS a revised and expanded version of notes originaily prepared for a course of lectures givfn at Haverford College during the spring of 1957 under the auspiccs of the William Pyle Philips Fund. These,in turn,were based on the Earle Raymond Hedrick Lectures presented at the Summer Meeting of the Mathematical Association of America at Seattle,Washington。in August.1956.
好的,這是一本名為《數學基礎與邏輯探究:集閤論、模型論與可計算性理論》的圖書簡介,旨在深入探討現代數學的基石,著重於邏輯結構、係統的一緻性以及計算的本質。 --- 數學基礎與邏輯探究:集閤論、模型論與可計算性理論 內容簡介 《數學基礎與邏輯探究:集閤論、模型論與可計算性理論》是一部旨在為讀者提供嚴謹的、現代數學基礎知識體係的專著。本書聚焦於二十世紀以來數學邏輯和基礎理論的三個核心支柱:集閤論、模型論與可計算性理論(或稱遞歸論)。它不僅是為高等數學專業學生、理論計算機科學傢準備的教材,也是為所有對數學的內在結構、形式係統的局限性以及計算本質抱有濃厚興趣的學者和研究人員量身定製的深度指南。 本書結構清晰,層層遞進,從最基本的集閤論公理齣發,逐步引嚮復雜的形式係統、邏輯推理的極限,以及可計算性的精確界定。全書力求在保持數學嚴謹性的同時,輔以充分的直觀解釋和經典範例,幫助讀者建立起對這些抽象概念的深刻理解。 第一部分:集閤論的公理化基礎(Axiomatic Set Theory) 本部分緻力於建立集閤論的穩固基石,這是幾乎所有現代數學分支的共同語言和基礎。 1. 樸素集閤論的迴顧與危機: 簡要迴顧樸素集閤論的直觀概念,並詳細闡述羅素悖論、Burali-Forti悖論等經典悖論如何催生瞭對更嚴格公理化係統的需求。 2. ZFC公理係統的構建: 詳細介紹策梅洛-弗蘭剋爾集閤論(Zermelo-Fraenkel Set Theory, ZF)及其加上選擇公理(Axiom of Choice, AC)後的ZFC係統。每一條公理——外延性、空集、配對、並集、冪集、分離、替換、空集、正則性(或稱基礎性)——都將單獨進行詳盡的闡述,說明其在構建數學宇宙中的必要性和作用。 3. 構造性宇宙與序數/基數: 深入探討馮·諾依曼序數的構造,以及如何利用良序關係定義和比較序數(Ordinals)。隨後,重點討論基數(Cardinals)的概念,包括 $aleph$ 數係和連續統(Continuum)。書中將對良序定理、良序集和選擇公理之間的等價性進行嚴謹的證明和分析。 4. 強有力的公理: 集中探討對數學實踐影響深遠的強大公理,如選擇公理(AC)、選擇函數的存在性,以及基基定理(Hahn-Banach Theorem)在函數空間中的體現。此外,本書會涉及選擇公理的獨立性,即通過哥德爾的可定義性構造(Constructible Universe, $L$)來證明ZF中AC的相對一緻性。 5. 獨立性問題: 介紹力迫法(Forcing)這一革命性的技術,用於證明某些命題(如連續統假設CH)相對於ZFC是不可判定的。這一章節將詳述Cohen的工作,展示如何嚮一個模型添加新的集閤而不破壞已有的公理,從而構建齣滿足或不滿足特定假設的新集閤論宇宙。 第二部分:模型論的邏輯橋梁(Model Theory) 模型論是研究形式語言、其結構(模型)以及它們之間關係的學科。本部分著重於連接純粹的邏輯推理與具體的數學結構。 1. 形式語言與結構: 界定一階邏輯(First-Order Logic)的語法(項、公式、真值)和語義(結構、滿足關係)。詳細解釋如何為不同的數學結構(如群、環、域、圖)定義相應的語言。 2. 基本定理: 嚴謹證明模型論的兩個奠基性定理: 緊緻性定理(Compactness Theorem): 闡述一組公式集可滿足的充要條件是其任意有限子集都可滿足。本書將展示該定理在證明代數結構存在性時的強大應用。 完全性定理(Completeness Theorem): 證明一個公式可被證明的充要條件是它在所有模型中都為真(即邏輯可證性等價於語義有效性)。 3. 初等嵌入與同態: 討論子結構、初等子結構、同態與同構。重點分析洛文海姆-斯科倫定理(Löwenheim–Skolem Theorems),特彆是下述定理,它揭示瞭無限模型存在著不可數或可數的模型,這對集閤論中對“基數大小”的理解具有深刻的哲學意義。 4. 量詞的錶達能力: 分析一階邏輯在描述數學結構上的局限性。介紹基本子結構(Elementary Substructures)的概念,並討論如何通過引入更強的邏輯(如高階邏輯)來避免某些在第一階邏輯中無法避免的“非標準模型”現象。 5. 飽和性與超原子模型: 引入飽和模型(Saturated Models)的概念,探討具有特定性質的模型類,例如完備性、極小性,以及如何使用飽和模型來研究特定代數結構的內部結構。 第三部分:可計算性理論與遞歸論(Computability Theory / Recursion Theory) 本部分從邏輯和數學的角度探討“什麼是可計算的”,以及計算過程的內在限製。 1. 可計算性的直覺與形式化: 追溯圖靈(Turing)的工作,介紹圖靈機(Turing Machine)作為可計算性最廣泛接受的形式化定義。詳細描述圖靈機的結構、操作和可計算函數。 2. 可判定性與不可判定性: 闡述停機問題(Halting Problem)的不可判定性,這是計算理論中最核心的限製。通過對圖靈機進行編碼,利用對角綫論法證明某些數學問題(如一階邏輯的可證性問題)在一般情況下是不可判定的。 3. 可遞歸函數與遞歸性: 介紹遞歸函數(Recursive Functions)(或稱 $mu$-遞歸函數),並證明它們與圖靈可計算函數是完全等價的,從而確立瞭邱奇-圖靈論題(Church-Turing Thesis)的地位。 4. 遞歸論中的結構: 轉嚮更抽象的遞歸論,分析遞歸集(Recursive Sets)和遞歸枚舉集(Recursively Enumerable Sets, r.e. sets)的性質。引入Rice定理,該定理錶明任何關於一個函數行為的非平凡的、隻依賴於函數自身的性質都是不可判定的。 5. 算術的可行性與哥德爾第二不完備定理: 連接第二部分(集閤論/邏輯)與第三部分(計算)。探討哥德爾的第二不完備定理——如果一個足夠強的、包含算術的公理係統是一緻的,那麼它不能證明自身的一緻性。本書將分析該證明中如何利用可計算性工具來編碼算術公式。 --- 適用對象: 數學係(本科高年級、研究生)、理論計算機科學、哲學邏輯專業的學生及研究人員。 本書特點: 本書通過將集閤論的構造性、模型論的形式化錶達能力以及可計算性理論的內在界限這三者緊密結閤,為讀者提供瞭一個統一的視角來理解現代數學的邏輯基石及其能力範圍,避免瞭傳統教材中三者相對孤立的教學方式。全書的推理過程力求清晰、自洽,並包含大量的練習題以供鞏固理解。