介紹
超限歸納法又稱超窮歸納法、超限歸納證法,數學中用來證明某種類型命題的重要方法。
定理
設(Χ,≤)是一個良序集,對任意α∈Χ,Χα={b∈Χ│b<α}稱為在Χ中由α所確定的截段。Χ的子集E稱為歸納子集,如果對於任何α∈Χ,只要截段Χα為E的子集,就有α∈E。
超限歸納定理斷言:設E為良序集(Χ,≤)的歸納子集,則E=Χ。因為若α為Χ的最小元素,則可得α∈E;如果α'為Bα={b∈Χ│b>α}的最小元素,那么Χα'={x∈Χ│x<α'}={α}是E的子集,遂有α'∈E;同理可得α″=(α')'∈E等等。容易看出,Χ的良序性是定理成立的重要依據,倘若把它改為Χ是全序集,則Χ的非空子集可以沒有最小元素,命題就不成立了。
推論和推廣
當Χ為自然數集N時,就得到上述定理的一個常用的特殊情況,稱為數學歸納法,表述為:若N的子集E,滿足①0∈E;②對於任何n∈N,如果由一切小於n的自然數k∈E,可以推出n∈E,則E=N。其中一切小於n的自然數k∈E相當於Nn為E的子集,而0∈E則可以由空集必然為E的子集推出。
在引進“類”概念的前提下,超限歸納定理可以敘述為:設C是一個序數類,如果①0∈C;②若α∈C,可得α'=α+1∈C;③若α為極限序數,並且對一切β<α,β∈C,就必然有α∈C,則C是所有序數的類。
套用
超限歸納法是數學歸納法的形式之一,可以套用於(大的)良序集,比如說套用到序數或基數,甚至於所有有序的集。
超限歸納法可用於證明一個命題P在所有序數中成立:
基礎:證明P(0)成立;
歸納:證明對於任何一個序數b,如果P(a)在所有序數a<b中成立,那么P(b)也將成立。
後面一步常常分解為兩種情況:
能套用和一般的歸納法相似的方法的後繼序數(有直接前驅的序數),(P(a)蘊涵P(a+1)),
沒有前驅的極限序數,因此不能用這種方法。
顯然,極限序數可以通過將極限序數b看成所有小於b的序數的極限來處理:假定在所有的a<b中P(a)成立,取所有這些情況的極限(通常通過並集公理實現),則證明了P(b)。