Перейти к содержимому
Topos Uranos

Краткое содержание

Этот урок с нуля строит язык, на котором будут записываться все формулы курса. Сначала он вводит самое необходимое из теории множеств (принадлежность, множества, заданные перечислением и описанием, включение и объединение) и применяет это к цепочкам символов: к их длине, конкатенации и префиксам, а также к подсчёту цепочек, которые можно записать двумя символами. На алфавите из двух символов, кружка и диска, он определяет базовый язык: бесконечно много переменных, единственное правило образования и условие замыкания, из которого выводится принцип для доказательства свойств всех формул. Затем он показывает, как решить, является ли цепочка формулой, формулирует однозначность разбора и, наконец, строит над базовым языком метаязык, которым мы будем пользоваться в дальнейшем: метапеременные, стрелку Пирса, записанную со скобками, и официальные сокращения остальных связок с их чтением по-русски.

Цели обучения

  1. Описывать множества цепочек перечислением и описанием и решать вопросы о принадлежности, включении и объединении для них.
  2. Подсчитывать цепочки данной длины и цепочки ограниченной длины над алфавитом из двух символов.
  3. Решать, является ли цепочка кружков и дисков формулой, и, если является, восстанавливать способ её построения.
  4. Доказывать с помощью принципа замыкания, что все формулы обладают некоторым свойством, и пользоваться такими свойствами, чтобы отбрасывать цепочки.
  5. Различать язык-объект и метаязык, развёртывать сокращение до цепочки базового языка и читать формулы по-русски.

Что нужно из теории множеств

Формальный язык есть прежде всего совокупность цепочек символов; если это так, то, чтобы говорить о нём точно, нужен словарь для совокупностей. Этот словарь даёт теория множеств, из которой урок берёт только то, чем будет пользоваться курс. Множество есть совокупность объектов, называемых его элементами, которая ими определяется: два множества с одними и теми же элементами суть одно и то же множество. То, что объект aa является элементом множества AA, записывается a∈Aa \in A и читается «aa принадлежит AA»; то, что не является, записывается a∉Aa \notin A.

Множество можно задать двумя способами. Перечислением, называя его элементы один за другим в фигурных скобках, причём ни порядок, ни повторения не важны; и описанием, формулируя условие, которому удовлетворяют его элементы и только они, с двоеточием, которое читается «таких, что». Так, натуральные числа, меньшие 55, образуют множество

{1,2,3,4}={n∈N:n<5}\{1, 2, 3, 4\} = \{ n \in \mathbb{N} : n < 5 \}

Один из вариантов описания, очень частый в дальнейшем, характеризует элементы по их виду: {2n:n∈N}\{ 2n : n \in \mathbb{N} \} есть множество чисел вида 2n2n с натуральным nn, то есть множество чётных чисел. Множество, заданное перечислением, обязательно конечно; описанием можно задать и бесконечные множества, например множество чётных чисел.

Говорят, что AA включено в BB, и пишут A⊆BA \subseteq B, если каждый элемент AA является элементом BB. Отсюда следует, что два множества равны тогда и только тогда, когда каждое из них включено в другое, потому что тогда у них одни и те же элементы; и это действительно обычный способ доказывать равенство множеств: доказать оба включения. Наконец, объединение A∪BA \cup B есть множество объектов, принадлежащих AA, BB или обоим; откуда каждое из двух множеств включено в их объединение.

ПримерПринадлежность, включение и объединение

Пусть A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\}, B={2,4,6,8}B = \{2, 4, 6, 8\} и P={2n:n∈N}P = \{ 2n : n \in \mathbb{N} \}. Имеем 2∈A2 \in A и 4∉A4 \notin A; кроме того, B⊆PB \subseteq P, потому что каждый элемент BB есть удвоенное натуральное число, тогда как AA не включено в PP, потому что 1∈A1 \in A и 1∉P1 \notin P. Объединение AA и BB есть {1,2,3,4,6,8}\{1, 2, 3, 4, 6, 8\}: число 22, которое лежит в обоих, входит в него один раз.