Mahlo基数(Mahlo cardinal)とは、到達不能基数 $\kappa$ のうち、$\kappa$ 未満の正則基数全体が定常集合をなすもの、すなわち $\kappa$ のどの閉非有界集合も正則基数を含むものである。正則基数が非有界にあるだけのことより強く、$\kappa$ 未満の到達不能基数全体が定常集合をなすことと同値である。特に Mahlo 基数は $\kappa$ 番目の到達不能基数であり、$\alpha$ 番目の到達不能基数であるような到達不能基数 $\alpha$ も定常集合をなす。一方、到達不能基数の極限である最小の到達不能基数は Mahlo でない。弱コンパクト基数は Mahlo 基数である。
Mahlo基数(Mahlo cardinal、マーロ基数)とは、到達不能基数 $\kappa$ のうち、$\kappa$ 未満の正則基数全体が $\kappa$ の定常集合になるものである。定常集合は $\kappa$ のどの閉非有界集合とも交わる集合なので、Mahlo 性は「$\kappa$ に向かってどんな閉じた道筋をたどっても、途中で正則基数に出会う」という条件である。
到達不能基数の下にも正則基数(後続基数)はいくらでもあるが、それだけでは足りない。Mahlo 基数の下では到達不能基数そのものが定常集合をなし、「$\kappa$ 番目の到達不能基数」になり、さらにその性質をもつ到達不能基数も定常集合をなす。この記事では、定義の同値な言い換えと、この「下にある到達不能基数の多さ」を証明し、到達不能基数の単なる極限との違いを反例で示す。以下 ZFC を仮定する。
$\kappa$ を非可算な正則基数とする。$C\subseteq\kappa$ が非有界であるとは、任意の $\beta<\kappa$ について $\beta\leq\gamma$ となる $\gamma\in C$ があることをいう。$C$ が閉であるとは、極限順序数 $\gamma<\kappa$ について $C\cap\gamma$ が $\gamma$ で非有界なら $\gamma\in C$ となることをいう。閉かつ非有界な集合を閉非有界集合といい、どの閉非有界集合とも交わる $S\subseteq\kappa$ を $\kappa$ の定常集合という。二つの閉非有界集合の共通部分はまた閉非有界集合である(定常集合 の記事の補題「club の共通部分」)。したがって、定常集合と閉非有界集合の共通部分はまた定常集合である。
無限基数 $\lambda$ が正則であるとは、その 共終数 が $\lambda$ に等しいこと、すなわち $\lambda$ 未満の長さの列で $\lambda$ に上限が達するものがないことをいう。到達不能基数とは、非可算な正則基数 $\kappa$ で、すべての $\lambda<\kappa$ について $2^\lambda<\kappa$(強極限)となるものである。
基数 $\kappa$ に対し
$$
R_\kappa=\{\lambda<\kappa:\lambda\text{ は正則基数}\},\qquad I_\kappa=\{\lambda<\kappa:\lambda\text{ は到達不能基数}\}
$$
とおく。
言い換えると、到達不能基数 $\kappa$ が Mahlo であるとは、$\kappa$ のどの閉非有界集合 $C$ も正則基数を含むことである。定常集合は非有界である(各 $\beta<\kappa$ について末尾 $\{\gamma:\beta<\gamma<\kappa\}$ が閉非有界集合なので)が、非有界集合が定常とは限らない。
$\kappa$ を到達不能基数とする。$\kappa$ 未満の後続基数全体 $S$ は非有界であり、共終数 の記事の命題「後続基数は正則である」により $S\subseteq R_\kappa$ である。一方、$\kappa$ 未満の非可算な極限基数全体 $L_\kappa$ は閉非有界集合である(下の lem-mc-clubs)。$S\cap L_\kappa=\emptyset$ なので、$S$ は定常でない。
弱Mahlo基数の概念は Mahlo が導入した不動点の階層に由来し、定常集合の概念もそこで初めて使われた(Kan12 p. 360)。定義に強極限性を課すかどうかで「Mahlo」と「弱Mahlo」が分かれる。Bag23 §10 のように、正則基数 $\kappa$ で $I_\kappa$ が定常なものを Mahlo基数と定義する流儀もある。次の節でこれらが同じ概念であることを示す。
証明には、次の二つの閉非有界集合と、順序型についての補題を使う。
$\kappa$ を非可算な正則基数で極限基数であるものとする。
基数 $\kappa$ について、次は同値である。
1⇒2。 $\kappa$ は到達不能なので非可算な正則基数である。$\kappa$ は強極限なので極限基数でもあり、lem-mc-clubs の $L'_\kappa$ が使える。$C$ を $\kappa$ の任意の閉非有界集合とする。$C\cap L'_\kappa$ は閉非有界集合なので、定常集合 $R_\kappa$ の元 $\lambda$ を含む。$\lambda$ は非可算な正則基数で強極限基数なので到達不能であり、$\lambda\in C\cap I_\kappa$ である。よって $I_\kappa$ は定常である。
2⇒3。 到達不能基数は正則基数なので $I_\kappa\subseteq R_\kappa$ であり、$R_\kappa$ も定常である。よって $\kappa$ は弱Mahlo基数である。強極限性を示す。$\lambda<\kappa$ とする。$\{\gamma:\lambda<\gamma<\kappa\}$ は閉非有界集合なので、到達不能基数 $\mu$ で $\lambda<\mu<\kappa$ となるものがある。$\mu$ は強極限なので $2^\lambda<\mu<\kappa$ である。
3⇒1。 非可算な正則基数で強極限基数であるものは到達不能であり、$R_\kappa$ は定常なので、$\kappa$ は Mahlo 基数である。$\square$
弱Mahlo基数は極限基数である。一般連続体仮説(すべての無限基数 $\lambda$ について $2^\lambda=\lambda^+$)のもとでは、弱Mahlo基数と Mahlo 基数は一致する。
$\kappa=\lambda^+$ が後続基数なら、$\{\gamma:\lambda<\gamma<\kappa\}$ は基数を含まない閉非有界集合なので、$R_\kappa$ は定常でない。よって弱Mahlo基数は極限基数である。一般連続体仮説のもとでは、$\lambda<\kappa$ について $2^\lambda=\lambda^+<\kappa$ となるので $\kappa$ は強極限であり、thm-mc-equivalent の 3 から $\kappa$ は Mahlo 基数である。逆に Mahlo 基数は弱Mahlo基数である。$\square$
Mahlo 基数の下には、到達不能基数が「定常に」ある。その帰結として、到達不能基数を数え上げたときの番号についても強い性質が出る。$X\subseteq\kappa$ の順序型を $\operatorname{otp}(X)$ と書く。
$\kappa$ を非可算な正則基数、$X\subseteq\kappa$ を $\operatorname{otp}(X)=\kappa$ となる集合とする。このとき
$$
F_X=\{\alpha<\kappa:\operatorname{otp}(X\cap\alpha)=\alpha\}
$$
は $\kappa$ の閉非有界集合である。また、$X$ の $\kappa$ 未満の極限点全体 $\{\gamma<\kappa:X\cap\gamma\text{ は }\gamma\text{ で非有界}\}$ も閉非有界集合である。
極限順序数 $\gamma$ について $X\cap\gamma=\bigcup_{\alpha<\gamma}(X\cap\alpha)$ は始切片の増大和なので、$\operatorname{otp}(X\cap\gamma)=\sup_{\alpha<\gamma}\operatorname{otp}(X\cap\alpha)$ である。また常に $\operatorname{otp}(X\cap\alpha)\leq\alpha$ である。
閉であること:極限順序数 $\gamma<\kappa$ で $F_X\cap\gamma$ が $\gamma$ で非有界なら、$\operatorname{otp}(X\cap\gamma)\geq\sup_{\alpha\in F_X\cap\gamma}\alpha=\gamma$ なので $\gamma\in F_X$ である。
非有界であること:$X$ を小さい順に $x_\xi$($\xi<\kappa$)と並べる。$\beta<\kappa$ に対し $\beta_0=\beta$、$\beta_{n+1}=x_{\beta_n}+1$ とおく。$\xi\leq\beta_n$ なら $x_\xi\leq x_{\beta_n}<\beta_{n+1}$ なので $\operatorname{otp}(X\cap\beta_{n+1})>\beta_n$ であり、特に $\beta_n<\beta_{n+1}$ である。$\kappa$ の共終数は $\omega$ より大きいので $\gamma=\sup_n\beta_n<\kappa$ であり、$\operatorname{otp}(X\cap\gamma)\geq\sup_n\beta_n=\gamma$ となって $\gamma\in F_X$、$\gamma\geq\beta$ である。
極限点の集合については、閉であることは定義から分かる。$\beta<\kappa$ に対し、$X$ の元 $y_0< y_1<\cdots$ を $\beta< y_0$ となるように取れば、$\sup_ny_n<\kappa$ は $\beta$ より大きい極限点である。$\square$
$X=I_\kappa$ に当てはめると、$\alpha\in I_\kappa\cap F_{I_\kappa}$ は「$\alpha$ 自身が到達不能で、$\alpha$ 未満の到達不能基数がちょうど順序型 $\alpha$ だけある」、すなわち $\alpha$ が $\alpha$ 番目の到達不能基数($0$ 番目から数える)であることを意味する。
$\kappa$ を Mahlo 基数とする。
2 の性質はさらに繰り返せる。$J_\kappa$ が定常なので $\operatorname{otp}(J_\kappa)=\kappa$ であり、$J_\kappa\cap F_{J_\kappa}$ も定常になる。このように Mahlo 基数の下では、到達不能基数の「固定点をとる」操作を何度繰り返しても定常集合が残る。弱Mahlo基数についても、それが弱到達不能基数であり、弱到達不能基数の極限であり、……と続き、こうした基数を概念的に超えていることが指摘されている(Kan12 p. 360)。
「到達不能基数の極限である到達不能基数」や「$\alpha$ 番目の到達不能基数であるような $\alpha$」は、thm-mc-inaccessibles から Mahlo 基数の下にいくらでもある。しかし、そうした性質をもつ最小の基数は Mahlo でない。
Mahlo 基数が存在すると仮定する。次の三つの基数は存在して、どれも Mahlo 基数でない。
存在:$\mu$ を Mahlo 基数とする。thm-mc-inaccessibles の 2 から $J_\mu$ は空でないので、3 の性質をもつ基数がある。3 の性質をもつ $\alpha$ について $\operatorname{otp}(I_\alpha)=\alpha$ は極限順序数なので $I_\alpha$ は $\alpha$ で非有界であり、2 の性質ももつ。2 の性質をもつ基数の下には到達不能基数がある。よって $\kappa_1<\kappa_2\leq\kappa_3$ がすべて存在する。
Mahlo でないこと:thm-mc-equivalent により、各 $\kappa_i$ について $I_{\kappa_i}$ と交わらない閉非有界集合を作ればよい。
| 外す・変える条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| $R_\kappa$ の定常性を非有界性に弱める | 最小の到達不能基数 $\kappa_1$ | Mahlo 性($R_\kappa$ の定常性) |
| $I_\kappa$ の定常性を非有界性に弱める | prop-mc-least の $\kappa_2$ | Mahlo 性($I_\kappa$ の定常性) |
| $I_\kappa$ の定常性を $\operatorname{otp}(I_\kappa)=\kappa$ に弱める | prop-mc-least の $\kappa_3$ | Mahlo 性($I_\kappa$ の定常性) |
| $R_\kappa$ の定常性を「閉非有界集合を含む」に強める | 任意の非可算正則基数 | 条件を満たす基数の存在 |
1 行目:到達不能基数 $\kappa$ の下の後続基数は正則で非有界にある(ex-mc-successors)。したがって $R_\kappa$ は必ず非有界であり、非有界性だけでは Mahlo 性と到達不能性の区別がつかない。$\kappa_1$ が Mahlo でないことは prop-mc-least で示した。2・3 行目も prop-mc-least による。2・3 行目の反例の存在には Mahlo 基数の存在を仮定している。
4 行目は次の例で示す。定常性の代わりに閉非有界性を要求すると、どの基数も満たさなくなる。
$\kappa$ を非可算な正則基数とすると、$R_\kappa$ は閉非有界集合を含まない。
$C\subseteq\kappa$ を閉非有界集合とし、$C$ の元を小さい順に $c_\xi$ と並べる。$\gamma=\sup_{n<\omega}c_{\omega+n}$ とおくと、$\gamma<\kappa$($\kappa$ の共終数は $\omega$ より大きい)であり、$C$ は閉なので $\gamma\in C$ である。$\gamma$ は長さ $\omega$ の増加列の上限なので $\operatorname{cf}(\gamma)=\omega$ であり、$\gamma>c_\omega\geq\omega$ である。よって $\gamma$ は正則基数でなく、$C\not\subseteq R_\kappa$ である。
Mahlo 性は $V_\kappa$ の中で正しく判定される。ここで $V_\kappa$ は累積階層の第 $\kappa$ 段である。
$\kappa$ を到達不能基数とし、$\alpha<\kappa$ とする。$\alpha$ が到達不能基数であること、Mahlo 基数であることは、$V_\kappa$ の中で判定しても $V$ の中で判定しても同じである。
$\alpha<\kappa$ なら $\alpha$ の部分集合、$\alpha$ 未満の順序数の冪集合、それらの間の写像はすべて階数が $\kappa$ 未満なので $V_\kappa$ に属する。$\lambda$ の正則性($\lambda$ 未満の長さの非有界列の有無)、$2^\lambda<\alpha$($\mathcal P(\lambda)$ から $\alpha$ 未満の順序数への全単射の有無)、$\alpha$ の部分集合が閉非有界・定常であることは、いずれもこれらの集合の間の関係として書ける。$V_\kappa$ は推移的でこれらの集合をすべて含むので、判定は一致する。$\square$
到達不能基数 の記事の定理「到達不能基数からZFCの集合モデルが得られる」により、到達不能基数 $\kappa$ について $V_\kappa$ は ZFC のモデルである。$\kappa$ を最小の Mahlo 基数とすると、prop-mc-absolute により $V_\kappa$ の中には Mahlo 基数がなく、thm-mc-inaccessibles と prop-mc-absolute により $V_\kappa$ の中で到達不能基数は非有界にある。したがって、ZFC に Mahlo 基数の存在を加えた理論が無矛盾なら、ZFC に「到達不能基数が非有界に存在する」を加えても Mahlo 基数の存在は証明できない。
$T$ を ZFC に「到達不能基数が非有界に存在する」を加えた理論とする。上の議論は ZFC の中で行えるので、ZFC と「Mahlo 基数が存在する」から「$T$ に「Mahlo 基数は存在しない」を加えた理論にモデルがある」が証明できる。もし $T$ から Mahlo 基数の存在が証明できれば、$T$ に「Mahlo 基数は存在しない」を加えた理論は矛盾し、そのモデルがないことも ZFC で証明できる。よって ZFC と「Mahlo 基数が存在する」から矛盾が導かれる。
Mahlo 基数より大きい基数として、弱コンパクト基数 がある。弱コンパクト基数 の記事の定理「弱コンパクト基数は Mahlo」により、弱コンパクト基数 $\kappa$ は Mahlo 基数であり、$\kappa$ 未満の Mahlo 基数全体は $\kappa$ の定常集合である。特に最小の Mahlo 基数は弱コンパクトでない。
Mahlo 基数は、小さい基数の組合せ論の無矛盾性の強さを測る目盛りとしても現れる。例えば「Jensen の組合せ論的原理 $\square_{\omega_1}$ が成り立たない」ことや「特殊な $\omega_2$-Aronszajn 木が存在しない」ことは、Mahlo 基数の存在と無矛盾性の強さが等しい(Kan12 p. 378、pp. 385–386)。
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