Epsilon calculus

In logic, Hilbert's epsilon calculus is an extension of a formal language by the epsilon operator, where the epsilon operator substitutes for quantifiers in that language as a method leading to a proof of consistency for the extended formal language. The epsilon operator and epsilon substitution method are typically applied to a first-order predicate calculus, followed by a demonstration of consistency. The epsilon-extended calculus is further extended and generalized to cover those mathematical objects, classes, and categories for which there is a desire to show consistency, building on previously-shown consistency at earlier levels.[1]

Epsilon operator

Hilbert notation

For any formal language L{\displaystyle L}, extend L{\displaystyle L} by adding the epsilon operator to redefine quantification:

  • (x)A(x)  A(ϵx A){\displaystyle (\exists x)A(x)\ \equiv \ A(\epsilon x\ A)}
  • (x)A(x)  ¬x¬A(x)¬(¬A(ϵx ¬A))A(ϵx (¬A)){\displaystyle (\forall x)A(x)\ \equiv \ \neg \exists x\neg A(x)\leftrightarrow \neg {\bigl (}\neg A(\epsilon x\ \neg A){\bigr )}\leftrightarrow A{\bigl (}\epsilon x\ (\neg A){\bigr )}}

The intended interpretation of ϵx A{\displaystyle \epsilon x\ A} is somex{\displaystyle x} that satisfies A{\displaystyle A}, if it exists. In other words, ϵx A{\displaystyle \epsilon x\ A} returns some termt{\displaystyle t} such that A(t){\displaystyle A(t)} is true, otherwise it returns some default or arbitrary term. If more than one term can satisfy A{\displaystyle A}, then any one of these terms (which make A{\displaystyle A} true) can be chosen, non-deterministically. Equality is required to be defined under L{\displaystyle L}, and the only rules required for L{\displaystyle L} extended by the epsilon operator are modus ponens and the substitution of A(t){\displaystyle A(t)} to replace A(x){\displaystyle A(x)} for any term t{\displaystyle t}.[2]

Bourbaki notation

In tau-square notation from N. Bourbaki'sTheory of Sets, the quantifiers are defined as follows:

  • (x)A(x)  (τx(A)|x)A{\displaystyle (\exists x)A(x)\ \equiv \ {\bigl (}\tau _{x}(A)|x{\bigr )}A}
  • (x)A(x)  ¬(τx(¬A)|x)¬A  (τx(¬A)|x)A{\displaystyle (\forall x)A(x)\ \equiv \ \neg {\bigl (}\tau _{x}(\neg A)|x{\bigr )}\neg A\ \equiv \ {\bigl (}\tau _{x}(\neg A)|x{\bigr )}A}

where A{\displaystyle A} is a relation in L{\displaystyle L}, x{\displaystyle x} is a variable, and τx(A){\displaystyle \tau _{x}(A)} juxtaposes a τ{\displaystyle \tau } at the front of A{\displaystyle A}, replaces all instances of x{\displaystyle x} with {\displaystyle \square }, and links them back to τ{\displaystyle \tau }. Then let Y{\displaystyle Y} be an assembly, (Y|x)A{\displaystyle (Y|x)A} denotes the replacement of all variables x{\displaystyle x} in A{\displaystyle A} with Y{\displaystyle Y}.

This notation is equivalent to the Hilbert notation and is read the same. It is used by Bourbaki to define cardinal assignment since they do not use the axiom of replacement.

Defining quantifiers in this way leads to great inefficiencies. For instance, the expansion of Bourbaki's original definition of the number one, using this notation, has length approximately 4.5 × 1012, and for a later edition of Bourbaki that combined this notation with the Kuratowski definition of ordered pairs, this number grows to approximately 2.4 × 1054.[3]

Modern approaches

كان برنامج هيلبرت في الرياضيات يهدف إلى تبرير اتساق تلك الأنظمة الصورية مع الأنظمة البنائية أو شبه البنائية. ورغم أن نتائج غودل حول عدم الاكتمال قد نقضت برنامج هيلبرت إلى حد كبير، إلا أن الباحثين المعاصرين يرون في حساب إبسيلون بدائلَ لإثبات اتساق الأنظمة، كما هو موضح في طريقة استبدال إبسيلون.

طريقة استبدال إبسيلون

تُدمج النظرية المراد التحقق من اتساقها أولاً في حساب إبسيلون مناسب. ثانياً، تُطوَّر عملية لإعادة صياغة النظريات الكمية للتعبير عنها بدلالة عمليات إبسيلون باستخدام طريقة استبدال إبسيلون. أخيراً، يجب إثبات أن هذه العملية تُعيد صياغة النظرية بشكل معياري، بحيث تُحقق النظريات المُعاد صياغتها بديهيات النظرية. [ 4 ]

ملحوظات

  1. أفيغاد وزاك (2013)، "نظرة عامة"
  2. أفيغاد وزاك (2013)، "حساب إبسيلون"
  3. ماتياس، آر دي آر (2002)، "مصطلح بطول 4523659424929" (ملف PDF) ، سينثيز ، 133 ( 1-2 ): 75-86 ، doi : 10.1023/A:1020827725055 ، MR 1950044 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 18-12-2018 ، تم استرجاعه بتاريخ 28-01-2016 .
  4. أفيغاد وزاك (2013)، "التطورات الأحدث"

مراجع