Skriptum zur Vorlesung Mengenlehre
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18.2. GROSSE UNENDLICHE ZAHLEN 163Grahams Zahl ist so groß, daß sie am besten mit Knuths Pfeil-Schreibweiseausgedrückt werden kann:m ↑ n = } m · m {{ · ... · m}n−malm ↑↑ n = m ↑ m ↑ ... ↑ m} {{ }n−malm ↑↑↑ n = m ↑↑ m ↑↑ ... ↑↑ m} {{ }n−mal.Hierbei ist zu beachten, daß der Potenzoperator nicht assoziativ ist. Der klammerfreinotierte Ausdruck ist deshalb mehrdeutig; in diesem Fall ist er von rechtszu klammern, d. h. beispielsweise ist m ↑ m ↑ m = m ↑ (m ↑ m) zu lesen. Diese Abarbeitungsreihenfolgeist auch gerade diejenige, bei der die größten Endergebnissehervorgebracht werden. Ausgestattet mit dieser Notation kann man eine Folgebilden, die durch die folgenden Regeln rekursiv definiert ist:G 0 = 4G n+1 = 3↑↑↑ ... ↑3} {{ }G n −malGrahams Zahl ist nun definiert als G = G 64 . Zur besseren Veranschaulichung,wie extrem groß die Grahams Zahl ist, werden hier die Ergebnisse der erstenSchritte angegeben:3 ↑ 3 = 273 ↑↑ 3 = 7.625.597.484.987Bereits G 1 läßt sich nicht mehr vernünftig in der üblichen Exponentialdarstellungausdrücken. Trotzdem kann man die letzten Stellen von Grahams Zahl mitelementarer Zahlentheorie bestimmen: die letzten 10 Stellen sind 2464195387.18.2 Große unendliche ZahlenGegenüber den natürlichen Zahlen ist ω als erste unendliche Zahl natürlich “sehrgroß”. Als neuen Ansatz könnte man versuchen:
18.2. GROSSE UNENDLICHE ZAHLEN 164κ ist groß ⇐⇒ κ hat hinsichtlich kleinerer Zahlen ähnliche Eigenschaften wieω gegenüber den natürlichen Zahlen.So gelangt man schnell zur Forderung, daß eine “große” Zahl eine Limeszahl,regulär, sogar unerreichbar sein soll und weitere Eigenschaften erfüllen soll, diewir später einführen werden (die RAMSEY-Eigenschaft, meßbar . . . ).Ein weiterer Ansatz geht von der Überlegung aus, daß On die größte Ordinal-(und Kardinal-) Zahl wäre, wenn es nur eine Menge wäre:κ ist groß ⇐⇒ κ hat ähnliche Eigenschaften wie On.Mit geeignet gewählten Eigenschaften gelangt man schnell zu den unerreichbarenKardinalzahlen oder - je nach Präzisierung - zu Widersprüchen! Mit Hilfe despartiellen Reflexionsprinzips erhalten für jede Aussage σ der ZF-Sprache:σ On → ∀α∃κ(α < κ ∧ σ κ ).Aus dem Beweis des Hierarchiesatzes 15.3.1 ergibt sich, daß es sogar sehrviele δ gibt, die eine Eigenschaft σ aller Ordinalzahlen reflektieren, und zwar soviele, daß jede Normalfunktion einen Fixpunkt besitzt, welcher die Eigenschaft σreflektiert.DefinitionLimespunkte von A : A ′ := {α > 0 | α = ∪(A ∩ α)},A ⊆ On unbeschränkt : ↔ ⋃ A = On,A ⊆ On abgeschlossen : ↔ ∀x ⊆ A(x ≠ /0 → ⋃ x ∈ A),A ⊆ On club : ↔ A abgeschlossen und unbeschränkt.(club steht als Abkürzung für closed unbounded). Offensichtlich gilt:LemmaEs sei A ⊆ On.(i) A ′ ist stets abgeschlossen; falls A unbeschränkt ist, so ist A ′ club.(ii) N ft(F) → W(F) club, und umgekehrt:(iii) Ist A club, so A=W(F) für eine Normalfunktion F (nämlich die monotoneAufzählung von A).□
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18.2. GROSSE UNENDLICHE ZAHLEN 164κ ist groß ⇐⇒ κ hat hinsichtlich kleinerer Zahlen ähnliche Eigenschaften wieω gegenüber den natürlichen Zahlen.So gelangt man schnell <strong>zur</strong> Forderung, daß eine “große” Zahl eine Limeszahl,regulär, sogar unerreichbar sein soll und weitere Eigenschaften erfüllen soll, diewir später einführen werden (die RAMSEY-Eigenschaft, meßbar . . . ).Ein weiterer Ansatz geht von der Überlegung aus, daß On die größte Ordinal-(und Kardinal-) Zahl wäre, wenn es nur eine Menge wäre:κ ist groß ⇐⇒ κ hat ähnliche Eigenschaften wie On.Mit geeignet gewählten Eigenschaften gelangt man schnell zu den unerreichbarenKardinalzahlen oder - je nach Präzisierung - zu Widersprüchen! Mit Hilfe despartiellen Reflexionsprinzips erhalten für jede Aussage σ der ZF-Sprache:σ On → ∀α∃κ(α < κ ∧ σ κ ).Aus dem Beweis des Hierarchiesatzes 15.3.1 ergibt sich, daß es sogar sehrviele δ gibt, die eine Eigenschaft σ aller Ordinalzahlen reflektieren, und zwar soviele, daß jede Normalfunktion einen Fixpunkt besitzt, welcher die Eigenschaft σreflektiert.DefinitionLimespunkte von A : A ′ := {α > 0 | α = ∪(A ∩ α)},A ⊆ On unbeschränkt : ↔ ⋃ A = On,A ⊆ On abgeschlossen : ↔ ∀x ⊆ A(x ≠ /0 → ⋃ x ∈ A),A ⊆ On club : ↔ A abgeschlossen und unbeschränkt.(club steht als Abkürzung für closed unbounded). Offensichtlich gilt:LemmaEs sei A ⊆ On.(i) A ′ ist stets abgeschlossen; falls A unbeschränkt ist, so ist A ′ club.(ii) N ft(F) → W(F) club, und umgekehrt:(iii) Ist A club, so A=W(F) für eine Normalfunktion F (nämlich die monotoneAufzählung von A).□