Klasse (Mengenlehre): Unterschied zwischen den Versionen

aus GlossarWiki, der Glossar-Datenbank der Fachhochschule Augsburg
Keine Bearbeitungszusammenfassung
 
(224 dazwischenliegende Versionen desselben Benutzers werden nicht angezeigt)
Zeile 1: Zeile 1:
{{Qualität
{{Qualität
|correctness        = 4
|correctness        = 2
|extent              = 2
|extent              = 2
|numberOfReferences  = 2
|numberOfReferences  = 2
Zeile 6: Zeile 6:
|conformance        = 5
|conformance        = 5
}}
}}
=Anschauliche Definition=
==Ursprüngliche Definition==
Der Begriff '''Klasse''' wurde zu Zeiten, als  [[John von Neumann]], [[Paul Bernays]] und [[Kurt Gödel]] diesem Begriff noch nicht seine heutige Bedeutung gegeben hatten, häufig als Synonym für den Begriff '''{{Menge}}''' verwendet.<ref>siehe beispielsweise {{Quelle|Russell, B. (1903): The Principles of Mathematics}}</ref>


Eine {{Klasse}} fasst {{Klasse}}n zu größeren Einheiten zusammen. Das heißt, eine
==Anschauliche moderne Definition==
Klasse kann beliebig viele Klassen als '''Element''' enthalten und Element von beliebig vielen Klassen sein.


Für je zwei Klassen $x$ und $y$ gilt entweder ''$x$ ist Element von $y$'' ($x \in y$)<br/>
Der Begriff {{Klasse}} wird in der „modernen“ Mathematik als Verallgemeinerung des Begriffes {{Menge}} verwendet.
oder ''$x$ ist kein Element von $y$'' ($\neg(x \in y)$ oder kurz $x \notin y$).


Eine Klasse $m$, die Element irgendeiner beliebigen Klasse ist heißt '''{{Menge}}''':<br/>
Eine {{Klasse}} fasst – genauso wie eine Menge – bestimmte Objekte eines {{Universum}}s  mittels der '''Element'''-Beziehung zu einer ungeordneten Einheit zusammen.
$\rm{Mg}(m) \; :\leftrightarrow \; \exists a: m \in a$


Ein Klasse $u$, die kein Element irgendeiner Klasse ist, heißt '''Unmenge''' oder '''echte Klasse''':<br/>
Allerdings unterscheidet man nun zwei Arten von Klassen, um Antinomien wie die [[Russellsche Antinomie]] zu vermeiden:
$\rm{UMg}(u) \; :\leftrightarrow \; \neg\exists a: u \in a \;\leftrightarrow\; \forall u: u \notin a$


Zwei Klassen heißen '''gleich''', wenn sie dieselben Elemente enthalten:<br/>
* '''Mengen'''
$x = y \; :\leftrightarrow \; \forall m: (m \in x \leftrightarrow m \in y)$
* '''virtuelle Klassen''' ('''echte Klassen''', '''Unmengen''')


Diejenige Klasse, die keine anderen Klassen als Element enthält, heißt '''leere Menge''', kurz $\emptyset$ oder $\{\}$.  
Mengen sind „gutartige“ Klassen, in dem Sinne, dass sie selbst Elemente von Klassen sein können.
Virtuelle Klassen sind dagegen so umfangreich, dass sie in überhaupt keiner Klasse als Element vorkommen können.


==Anmerkungen==
==Definition in Anlehnung Schmidt<ref name="Schmidt">{{Quelle|Schmidt (1966)}}</ref>==
Es gibt nur eine ''leere Menge''. Gäbe es eine zweite, so würde sie dieselben
Elemente beinhalten wie die erste (nämlich keine) und wäre damit zur ersten gleich.


Dass es sich bei der ''leeren Menge'' tatsächlich um eine Menge handelt, muss axiomatisch
===Definitionen „mengentheoretische Aussageform“ und „mengentheoretische Aussage“===
sichergestellt werden, da man ansonsten Schwierigkeiten hätte überhaupt irgendwelche Mengen zu definieren.


Wie Klassen gebildet werden können (z.B. mit Hilfe der Klassenklammern $\{$ und $\}$)
Eine [[Prädikatenlogik erster Stufe|prädikatenlogische Aussageform erster Stufe]] heißt '''mengentheoretische Aussageform''', wenn in dieser
und welche Klassen Mengen sind, wird ebenfalls [[Axiom|axiomatisch]] festgelegt.
Aussageform alle Prädikate die Form $x \in y$ haben. Eine geschlossene Aussageform, d.h. eine Aussageform, in der alle Variablen durch [[Quantor]]en gebunden sind, heißt
'''mengentheoretische Aussage'''.


Die Unterscheidung zwischen {{Menge}}n und {{Unmenge}}n stellt eine Möglichkeit dar, das Problem der [[Russellsche Antinomie|Russellschen Antinomie]] zu vermeiden.
Die Elementbeziehung $\in$ ist also das einzige Prädikatssymbol in einer mengentheoretische Aussageform.
Alle anderen Symbole entstammen der [[Prädikatenlogik erster Stufe]]: $\top, \bot, \wedge, \vee, \neg, \rightarrow, \leftrightarrow, \bigwedge, \bigvee$ sowie Variablen.


In der „Klassenlehre“ wird auf die Definition von „Urelementen“ verzichtet. Die ''leere Menge'' reicht als Urelement aus.
===Definition „Klasse“===
Gegeben seien ein Klassenuniversum $\mathcal K$ und ein zweistelliges Prädikat $\in$.
 
Eine {{Klasse}}, d.h. ein Mitglied des Klassenuniversums $\mathcal K$
zeichnet sich dadurch aus, dass sie Klassen als Elemente enthalten und Element von Klassen sein kann:
{{Quote|Für je zwei Klassen $x$ und $y$ gilt entweder<br/>
$\quad x$ ist Element von $y$, kurz $x \in y$<br/>
oder<br/>
$\quad x$ ist kein Element von $y$, kurz $\neg(x \in y)$ oder kürzer $x \notin y$.
}}
 
Die Eigenschaften von {{Klasse}}n werden axiomatisch mit Hilfe von mengentheoretische Aussageformen für ein „Universum“ $\mathcal{K}$ von Klassen festgelegt.
 
===Weitere Prädikate===
 
Für das Klassenuniversum gibt es diverse weitere Prädikate. Diese werden allerdings alle
mit Hilfe der Element-Beziehung (als Abkürzungen für spezielle mengentheoretische Aussageformen) definiert.
 
Eine Klasse $a$, die Element irgendeiner beliebigen Klasse ist, heißt '''Menge''':<br/>
{{Formel|\rm{Mg}(a) \; :\leftrightarrow \; \bigvee k: a \in k}}
 
Ein Klasse $a$, die kein Element irgendeiner Klasse ist, heißt '''Unmenge''' oder '''echte Klasse''':
{{Formel|\rm{UMg}(a) \; :\leftrightarrow \; \neg\rm{Mg}(a) \;\;(\leftrightarrow\; \neg\bigvee k: a \in k \;\leftrightarrow\; \bigwedge k: a \notin k)}}
 
Eine Klasse $a$ heißt '''Teilklasse''' einer Klasse $b$, wenn jedes Element von $a$ auch Element von $b$ ist; alternativ
sagt man auch $b$ ist '''Oberklasse''' von $a$:
{{Formel|a \subseteq b \; :\leftrightarrow \; b \supseteq a \; :\leftrightarrow \; \bigwedge k: (k \in a \rightarrow k \in b)}}
 
Zwei Klassen heißen '''gleich''', wenn sie dieselben Elemente enthalten, anderenfalls heißen sie '''ungleich''':
{{Formel|a {{=}} b \; :\leftrightarrow \; \bigwedge k: (k \in a \leftrightarrow k \in b)}}
{{Formel|a \neq b \; :\leftrightarrow \; \neg(a {{=}} b)}}
 
Eine Klasse $a$ heißt '''echte Teilklasse''' einer Klasse $b$, falls $a$ Teilklasse von $b$ aber ungleich $b$ ist;
alternativ sagt man auch „$b$ ist '''echte Oberklasse''' von $a$“:
{{Formel|a \subset b \; :\leftrightarrow \; b \supset a \; :\leftrightarrow \;(a \subseteq b \wedge b \neq a)}}
 
===Klassenkonstruktion===
 
Wenn $A(m)$ eine mengentheoretische [[Aussageform]] ist, in der die Variable <math>m</math> [[frei]] vorkommen kann,
dann heißt $\{m:A(m)\}$ {{Klasse}} aller [[Element]]e $m$ mit der Eigenschaft $A(m)$.
 
Hier wurde ein so genanntes Termschema definiert:
Für jede konkrete mengentheoretische Aussageform $A(m)$ ergibt sich ein konkreter Term $\{m:A(m)\}$.
 
Damit diese Terme in mengentheoretischen Aussagen und Aussageformen verwendet werden können, werden folgende zwei Vereinbarungen getroffen:
 
{{Formel|a \in \{m:A(m)\} \;:\leftrightarrow\; \rm{Mg}(a) \wedge A(a)}}
{{Formel|\{m:A(m)\} \in a \;:\leftrightarrow\; \bigvee k: ( k \in a \,\wedge\, \bigwedge m: (m \in k \leftrightarrow  \rm{Mg}(m) \wedge A(m)) )}}
 
Mit Hilfe dieser beiden Definitionen kann jeder Klassenterm $\{m:A(m)\}$ in jeder beliebigen Aussageform „eliminiert“ werden,
indem der Term einfach durch die ihn definierende Aussageform ersetzt wird.
 
Die freie Variable muss nicht unbedingt $m$ heißen, sondern kann anders benannt werden, solange sich dadurch nicht die Semantik der
Aussageform $A(m)$ ändert. Insbesondere kann $m$ durch jede Variable $x$ ersetzt werden, die nicht als gebundene Variable im $A(m)$ enthalten ist.
Der so geänderte Term beschreibt dieselbe Klasse:
 
<div class="formula">
<math>\begin{array}{rclclcl}
  a \in \{m:A(m)\} & \;\leftrightarrow\; & \rm{Mg}(a) \wedge A(a) \\
                    & \;\leftrightarrow\; & a \in \{x:A(x)\}\\
  \{m:A(m)\} \in a & \;\leftrightarrow\; & \bigvee k: ( k \in a \,\wedge\, \bigwedge m: (m \in k \leftrightarrow  \rm{Mg}(m) \wedge A(m)))\\
                    & \;\leftrightarrow\; & \bigvee k: ( k \in a \,\wedge\, \bigwedge x: (x \in k \leftrightarrow  \rm{Mg}(x) \wedge A(x)))\\
                    & \;\leftrightarrow\; & \{x:A(x)\} \in a
\end{array}
</math></div>
 
Allerdings ist nicht jede Umbenennung erlaubt.
Beispielsweise kann in der Aussageform $A(m) = \bigvee x: x \in m$ die freie Variable $m$ nicht durch $x$ ersetzt werden, sich dadurch die Semantik ändert:
 
<div class="formula">$\{m: \bigvee x: x \in m \}$ ist nicht äquivalent zu $\{x: \bigvee x: x \in x\}$</div>
 
Wenn $A(m,v_1,\ldots,v_n)$ neben $m$ noch weitere freie Variablen $v_1,\ldots,v_n$ enthält,
ergibt sich für jede konkrete [[Belegung]] $[v_1|a_1,\ldots,v_n|a_n]$ dieser weiteren freien Variablen ein eigener Term $\{m:A(m,v_1|a_1,\ldots,v_n|a_n)\}$,
indem in $A$ jedes freie Vorkommen der Variablen $v_i$ durch den konkreten Wert $a_i$ ersetzt wird.
 
==Spezielle Klassen Anlehnung Schmidt<ref name="Schmidt"/>==
 
:{|
|| $\emptyset          $ || $:= \{m: \bot \} = \{m: \rm{UMg}(m)\} = \{m: m \not= m\} $  || '''leere Menge''', d.h. diejenige Klasse, die keine Mengen (und auch keine Unmengen!) enthält.
|-
|| $\mathcal{V}        $ || $:= \{m: \top \} = \{m: \rm{Mg}(m)\} = \{m: m = m\} $        || '''Allklasse''', d.h. diejenige Klasse, die alle Mengen enthält.
|-
|| $\mathcal{R}        $ || $:= \{m: m\notin m\}$ || '''Russell-Klasse''', d.h. diejenige Klasse, die alle Mengen enthält, die sich nicht selbst enthalten.
|-
|| $a \cup b          $ || $:= \{m: m \in a \vee m \in b\}$ || [[Vereinigung]] zweier Klassen $a$ und $b$
|-
|| $a \cap b          $ || $:= \{m: m \in a \wedge m \in b\}$ || [[Durchschnitt]] zweier Klassen $a$ und $b$
|-
|| $a \setminus b      $ || $:= \{m: m \in a \wedge m \notin b\}$ || [[Differenz]] zweier Klassen $a$ und $b$
|-
|| $\bar a            $ || $:= \{m: m \notin a \} = \mathcal{V} \setminus a$ || [[Komplement]] der Klasse $a$
|-
|| $\{\}              $ || $:= \emptyset$      || alternativer Name für die '''leere Menge'''
|-
|| $\{a\}              $ || $:= \{m: \rm{Mg}(a) \rightarrow m = a\}$ || Einermenge oder einelementige MEnge; es gilt $\rm{Mg}(a) \leftrightarrow (m \in \{a\} \leftrightarrow m=a)$ und $\rm{UMg}(a) \leftrightarrow \{a\} = \mathcal{V}$
|-
|| $\{a, b\}          $ || $:= \{a\} \cup \{b\} $ || Zweiermenge oder zweielementige Menge (falls $a \not=b$)
|-
|| $\{a, b, c\}        $ || $:= \{a, b\} \cup \{c\} $ || Dreiermenge oder dreielementige Menge (falls $a$, $b$, $c$ paarweise verschieden sind)
|-
|| $\vdots            $ ||
|-
|}
 
====Alternative Definition der einelementigen Menge====
Alternativ könnte man auch $\{a\} := \{x: x = a\}$ festsetzen. Für Mengen ergäbe sich daraus kein Unterschied zur obigen Definition. Für
Unmengen würde dagegen $\rm{UMg}(a) \leftrightarrow \{a\} = \emptyset$ an Stelle von $\rm{UMg}(a) \leftrightarrow \{a\} = \mathcal V$ gelten. In den meisten Fällen ist es praktischer, Unmengen auf die Unmenge
$\mathcal{V}$ und nicht auf die leere Mengen $\emptyset$ abzubilden, da man normalerweise weniger Fallunterscheidungen treffen muss.
Beispielsweise gilt im ersten Fall $\{\{\mathcal R\}\} = \mathcal V$, im zweiten Fall dagegen $\{\{\mathcal R\}\} = \{\emptyset\}$.
Das heißt, bei der Alternativdefinition würde man dem Ergebnis nicht mehr ansehen, dass ursprünglich versucht wurde, eine Unmenge als Element
in eine Menge zu stecken. Allerdings bietet auch die Alternativdefinition Vorteile. Zum Beispiel ist $\{a\}$ im Falle der Alternativdefinition stets eine Menge.
 
Anthony Morse löst diese Problem, indem er in seiner Mengenlehre die „einelementige“ Klasse für jede Klasse $a$ auf beide Arten definiert: $\rm{sngl}\,a$ ist bei ihm die zugehörige „einelementige“ Klasse mit $\rm{sngl}\,a = \mathcal V$ im Falle von Unmengen $a$ und $\rm{sng}\,a$ ist die „einelementige“ Menge mit $\rm{sng}\,a = \emptyset$ im Falle von Unmengen $a$. Für
Mengen $a$ stimmen diese beiden Definitionen überein und enthalten jeweils auch nur ein Element, nämlich $a$.
Darüber hinaus definiert Morse $\{x\} := \rm{sngl}\,x$. Das heißt, er definiert $\{a\}$
genauso wie Schmidt.<ref name="Morse">{{Quelle|Morse (1965)}}, 2.45, 2.5.5.0</ref>
 
==Verzicht auf Urelemente==
 
In der klassenbasierten Mengenlehre wird heutzutage ebenso wie in der „reinen“ Mengenlehre
auf die Definition von „[[Urelement]]en“ meist verzichtet. Die ''leere Menge'' reicht als Urelement aus.
Wenn man irgendwelche realen oder abstrakten Objekte in Klassen zusammenfassen will, so muss man zunächst die
Wenn man irgendwelche realen oder abstrakten Objekte in Klassen zusammenfassen will, so muss man zunächst die
diese Objekte mit bestimmten Klassen identifizieren. Man muss also für jedes Objekt eine Klasse definieren, die diese Objekt repräsentiert.
diese Objekte mit bestimmten Klassen identifizieren. Man muss also für jedes Objekt eine Klasse definieren, die diese Objekt repräsentiert.


Beispiel:
[[John von Neumann]] hat beispielsweise vorgeschlagen, die Ordinalzahlen – und damit als Spezialfall die natürlichen Zahlen –
so zu definieren, dass jede [[Ordinalzahl]]
(Neuman spricht von „Ordnungszahl“) alle ihre Vorgänger als Elemente enthält<ref>{{Quelle|Neumann (1923)}}</ref>:


<div class="formula">$0 := \{\}$</div>
<div class="formula">$0 := \{\}$</div>
Zeile 48: Zeile 167:
<div class="formula">$3 := 2 \cup \{2\} = \{0, 1, 2\} = \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}\}$</div>
<div class="formula">$3 := 2 \cup \{2\} = \{0, 1, 2\} = \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}\}$</div>
<div class="formula">$\vdots$</div>
<div class="formula">$\vdots$</div>
(wobei $x \in a \cup b \; :\leftrightarrow \; x \in a \vee x \in b$)
<div class="formula">$\omega = \{0, 1, 2, \ldots\} = \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}, \ldots\}$</div>
<div class="formula">$\omega+1 = \omega \cup \{\omega\} = \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}, \ldots, \{ \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}, \ldots\}\}\}$</div>
<div class="formula">$\vdots$</div>


Abschließend kann man auch beliebige natürliche Zahlen in Klassen zusammenfassen.  
Anschließend kann man auch beliebige Ordinalzahlen in Klassen zusammenfassen.  
Genaugenommen werden allerdings keine natürlichen Zahlen, sondern deren Stellvertreter zu Klassen zusammengefasst:
Genaugenommen werden allerdings keine Ordinalahlen, sondern deren Stellvertreter zu Klassen zusammengefasst:


<div class="formula">$\{0,2\}= \{\{\},\{\{\{\}\},\{\}\}\}$</div>
<div class="formula">$\{0,2\}= \{\{\},\{\{\{\}\},\{\}\}\}$</div>
<div class="formula">$\vdots$</div>
<div class="formula">etc.</div>


Man beachte, dass die Repräsentanten der natürlichen Zahlen so definiert wurden, dass sie genau alle ihre Vorgänger als
Die Definition von Neumann hat sich als besonders nützlich erwiesen, gerade weil sie nicht nur auf natürliche Zahlen beschränkt ist.  
Elemente enthalten. Dies hat sich als besonders nützlich erwiesen. Aber es gibt selbstverständlich noch zahlreiche andere
Aber es gibt selbstverständlich noch zahlreiche andere Möglichkeiten, natürliche Zahlen oder Ordinalzahlen durch Klassen zu repräsentieren.
Möglichkeiten, natürliche Zahlen durch Klassen zu repräsentieren.


Beispiel für eine Alternativdefinition der natürlichen Zahlen:
Beispiel für eine Alternativ-Definition der natürlichen Zahlen:


<div class="formula">$0 := \{\}$</div>
<div class="formula">$0 := \{\}$</div>
Zeile 67: Zeile 187:
<div class="formula">$3 := \{\{\{\{\}\}\}\}$</div>
<div class="formula">$3 := \{\{\{\{\}\}\}\}$</div>
<div class="formula">$\vdots$</div>
<div class="formula">$\vdots$</div>
<div class="formula">$n+1 := \{n\}$</div>
=====Vor- und Nachteile des Verzichts auf Urelemente=====
Der gravierende Vorteil, den der Verzicht auf Urelemente bietet, ist, dass man sich in Beweisen viele Fallunterscheidungen
der Art „Wenn $x$ ein Urelement ist ..., anderenfalls ...“ spart.
Ein Nachteil ist, dass Mengenoperationen aus Mengen, die keine Urelemente repräsentieren, zufällig Mengen erzeugen können,
die Urelemente repräsentieren, obwohl dies im aktuellen Kontext evtl. gar nicht von Bedeutung ist.
Ein weiterer Nachteil könnte sein, dass Mengen, die Urelemente repräsentieren, zusätzliche Eigenschaften haben, die
die eigentlichen Urelemente gar nicht haben. Beispielsweise gelten für Ordinalzahlen, die auf die von-neumannsche Art
definiert werden, ungewöhnliche Zusatzbeziehungen:
<div class="formula">$\bigwedge m,n \in \Omega: m<n \leftrightarrow m \in n$</div>
<div class="formula">$4 \cap 2 = 2$ oder allgemeiner $\bigwedge m,n \in \Omega: m \cap n = \rm{min}(m,n)$</div>
<div class="formula">etc.</div>
Für die Ordinalzahlen selbst gelten diese Beziegunhen dagegen nicht, da die Element-Beziehung, der Mengendurchschnitt etc. gar nicht definiert sind.
Und wenn man natürliche oder Ordinalzahlen durch andere Mengen repräsentiert,
ergeben sich andere Gesetzmässigkeiten. Wenn beispielsweise die obige Alternativ-Definition
verwendet wird, dann gelten andere Gesetzmäßigkeiten als zuvor:
<div class="formula">$4 \cap 2 = 0$ oder allgemeiner $\bigwedge m,n \in \mathbb{N}:m \not= m \rightarrow m \cap n = \{\}$</div>
Die zusätzlichen Mengeneigenschaften, die Von-Neumann-Ordinalzahlen haben, haben sich allerdings
nicht als Nachteil, sondern als Vorteil erwiesen, da damit viele Beweise über die
Ordinalzahlen mit mengentheoretischen Hilfsmitteln beweisen lassen.
=====Unterschied zwischen Mathematik und Informatik=====
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Mathematik und Informatik ist die Behandlung von [[Urelement]]en:
In der Mathematik wird heute – wie zuvor beschrieben wurde – i.Allg. auf Urelemente ganz verzichtet.
Stattdessen werden bestimmte Mengen (oder Klassen) als Repräsentanten für die
benötigten Urelemente verwendet.
In der Informatik sind Urelemente dagegen von zentraler Bedeutung. Diese werden i. Allg. [[Wert]]e oder [[Atom]]e genannt. Beispiele:
* Boolesche Werte
* Numerische Werte
* Zeichenketten
* etc.


=Axiomatische Definition=
===Axiomatisierung===
Dass auf die zuvor beschriebene Art Weise tatsächlich Klassen gebildet werden können
und welche dieser Klassen Mengen sind, wird [[Axiom|axiomatisch]] festgelegt.


Bevor formale Definitionen der Begriffe {{Klasse}} und {{Menge}} angegeben werden können, müssen
====Komprehensionsaxiome====
erst ein paar andere Begriffe definiert werden.


{{TBD}}
Es sei $A(k)$ eine mengentheoretische [[Aussageform]] in der $k$ eventuell als freie Variable vorkommt.
== Sprache der Mengenlehre ==
Die Elementbeziehung $\in$ ist das einzige nicht-[[Logik|logische]] Element der Sprache der Mengenlehre.
Alle anderen Elemente der [[Sprache der Mengenlehre]] sind Elemente der [[Logik]]: $\vee, \wedge, \neg, \rightarrow, \leftrightarrow, \forall, \exists$ sowie Variablen.


Atomare Formeln sind von der Bauart $x \in y$ ($x$ ist Element von $y$).
Die [[Komprehensionsaxiom]]e – es gibt [[abzählbar]] viele davon, da für es jede der Aussageformen $A(k)$ ein eigenes Axiom gibt – sagen aus,
unter welchen Umständen die Klasse $\{k: k \in A(k)\}$ existiert, also unter welchen Umständen die
Objekte $k$ zu einer Klasse zusammengefasst werden können (Komprehension = Zusammenfassung).


Außerdem wird definiert: $x \notin y \;:\leftrightarrow\; \neg(x \in y)$ ($x$ ist kein Element von $y$).
=====Naive Komprehensionsaxiome=====
[[Gottlob Frege]] hat in seinen „Grundgesetzen der Arithmetik“<ref>{{Quelle|Frege (1893)}}</ref> die uneingeschränkte Mengenbildung bzw.
Klassenbildung zugelassen.<ref>{{Quelle|Frege (1903)}}, Nachwort, S. 253</ref>


==Formale Definition des Begriffs {{Klasse}}==
Die „naiven“ Komprehensionsaxiome lauten – in moderner Notation – folgendermaßen:


Eine {{Klasse}} ist eine durch eine [[Formel]] der Sprache der Mengenlehre definierbare Gesamtheit von [[Elemente]]n:
<div class="formula">Für jede mengentheoretische Aussageform $A(k)$ gilt: $\bigvee K: \bigwedge k: (k\in K \leftrightarrow A(k))$</div>


Ist $A(x)$ eine (offene) Formel, in der die Variable <math>x</math> und eventuell weitere Variablen (so genannte Parameter) vorkommen können, so heißt $\{x|A(x)\}$ {{Klasse}} aller [[Element]]e
Diese Axiome führen jedoch sofort zur [[Russellsche Antinomie|Russellschen Antinomie]], indem man $A(k) := k \not\in k$ setzt.
$x$ mit der Eigenschaft $A(x)$.
Das zugehörige Komprehensionsaxiom lautet:


Ein Element $b$ ist genau dann ein Element der Klasse $\{x|A(x)\}\,$, wenn $A(b)$ gilt:
<div class="formula">$\bigvee K: \bigwedge k: (k\in K \leftrightarrow k \notin k)$</div>


<div class="formula">$b \in \{x|A(x)\} := A(b)$</div>
Es sei $\mathcal R$ eine derartige Klasse $K$, dann gilt für jede Klasse $k$:


==weitere Definitionen==
<div class="formula">$k \in \mathcal R \leftrightarrow k \notin k$</div>


Zwei Klassen <math>\mathcal A</math>, <math>\mathcal B</math> heißen gleich, wenn sie dieselben Elemente enthalten:  
Insbesondere gilt dies für die Klasse $\mathcal R$. Dies führt aber zu einem logischen Widerspruch:


<div class="formula">$\mathcal A = \mathcal B := \forall x: x \in \mathcal A \;:\leftrightarrow\; x \in \mathcal B$</div>  
<div class="formula">$\mathcal R \in \mathcal R \leftrightarrow \mathcal R \notin \mathcal R$</div>


Das heißt, zwei Klassen <math>x</math> und <math>y</math> sind gleich, wenn sie dieselben Elemente enthalten. Dabei kommt es nicht auf die Reihenfolge der Elemente oder die Häufigkeit des Vorkommens einzelner Elemente an.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Komprehension so zu beschänken, dass die Russellsche Antinomie nicht mehr direkt aus
diesem Axiom abgeleitet werden kann. (Ob sie mit Hilfe weiterer Axiome der Mengenlehre abgeleitet werden kann, ist dagegen unbekannt.
Falls dies nicht der Fall sein sollte – wovon man heute ausgeht –, kann dies jedoch nicht bewiesen werden. Dies ist eine der Schlussfolgerungen, die man aus
dem zweiten [[Unvollständigkeitssatz]] von [[Kurt Gödel]]<ref name="Gödel">{{Quelle|Gödel, K. (1931): Über formal unentscheidbare Sätze der Principia Mathematica und verwandter Systeme I}}</ref> ziehen kann.)


Eine Klasse $\mathcal A$ und eine Menge $m$ heißen gleich, wenn sie dieselben Elemente enthalten:
=====Klassen-Komprehensionsaxiome=====


<div class="formula">$\mathcal A = m := \forall x: x \in \mathcal A \;:\leftrightarrow\; x \in m$</div>
In der [[Quine-Rosser-Mengenlehre]] werden folgende Komprehensionsaxiome eingesetzt, bei der darauf geachtet wird, dass nur Mengen (aber keine Unmengen) in Klassen zusammengefasst werden:


Anmerkung: Wegen dieser Definition kann jede Menge als Klasse geschrieben werden und ist somit auch eine Klasse:
<div class="formula">Für jede mengentheoretische Aussageform $A(k)$ gilt: $\bigvee K: \bigwedge k: (k\in K \leftrightarrow \rm{Mg}(k) \wedge A(k))$</div>


<div class="formula">$m = \{x|x\in m\}$</div>
Hier gilt für eine zur Aussageform $k \notin k$ gehörige Klasse $\mathcal R$:


Man kann daher die Klasse $\mathcal A$ mit der Menge $m$ identifizieren.
<div class="formula">$\mathcal R \in \mathcal R \leftrightarrow \rm{Mg}(\mathcal R) \wedge \mathcal R \notin \mathcal R$</div>
Eine Menge ist laut Definition immer Element irgendeiner Klasse. Ein beliebige Klasse ''kann'' dagegen Element einer anderen Klasse sein (wenn sie eine Menge ist), muss es aber nicht (wenn sie keine Menge ist).
Und daraus folgt $\neg\rm{Mg}(\mathcal R)$, d.h. $\mathcal R$ ist eine Unmenge, da anderenfalls eine Widerspruch auftreten würde.
Es gibt also (mindestens) eine Russell-Klasse $\mathcal R$, die aber keine Menge, sondern eine Unmenge ist.


Eine Klasse $\mathcal A$ ist Element einer Menge $m$ bzw. einer Klasse $\mathcal B$,
Die Unterscheidung zwischen [[Menge]]n und [[Unmenge]]n stellt somit eine Möglichkeit dar, das Problem der [[Russellsche Antinomie|Russellschen Antinomie]] zu vermeiden:
wenn sie gleich einem Element der Menge bzw. Klasse ist:


<div class="formula">$\mathcal A \in m := \exists x: x \in m \wedge x = \mathcal A$</div>
Auch die Allklasse ist eine echte Klasse. Dies kann aber erst mit Hilfe weiterer Axiome gezeigt werden.


<div class="formula">$\mathcal A \in \mathcal B := \exists x: x \in \mathcal B \wedge x = \mathcal A$</div>
==Einfache Lemmata==


==1. Axiom (Extensionalitätsaxiom)==
===Die leere Menge===
Die Verträglichkeit zwischen der <math>\in</math>-Relation und der Gleichkeit wird mit dem
ersten [[Axiome der Mengenlehre|Axiom der Mengenlehre]] sichergestellt:


<div class="formula">$\forall x,y: (\forall z: z \in x \;:\leftrightarrow\; z \in y) \Rightarrow x=y$</div>
Die leere Menge $\emptyset = \{m: \bot \}$ erfüllt die Bedingung $\bigwedge x: x \notin \emptyset$, da:


=Spezielle Klassen=
<div class="formula">
<math>\begin{array}{rclr}
  x \notin \emptyset & \;\leftrightarrow\; & \neg(x \in \emptyset)        \\
                      & \;\leftrightarrow\; & \neg(x \in \{m: \bot \})    & \rm{(Definition\ der\ leeren Menge)}\\
                      & \;\leftrightarrow\; & \neg(\rm{Mg}(x) \wedge \bot) & \rm{(Definition\ des\ Mengenoperators\ }\{\cdot:\cdot\}\rm{)}\\
                      & \;\leftrightarrow\; & \neg\bot                    \\
                      & \;\leftrightarrow\; & \top
\end{array}
</math></div>


$\mathcal{V} := \{x|x=x\}$ ist die Allklasse, d.h. diejenige Klasse, die alle Mengen enthält.
Es gibt nur eine ''leere Menge'' $\emptyset$, d.h. eine Klasse, die diese Bedingung erfüllt.
Gäbe es zwei verschiedene leere Mengen $\emptyset_1$ und $\emptyset_2$,
die diese Bedingung erfüllen, so gälte laut der Definition der Gleichheit von Mengen:


$\mathcal{R} := \{x|x\notin x\}$ ist die [[Russell-Klasse]], d.h. diejenige Klasse, die alle Mengen enthält, die sich nicht selbst enthalten. Die [[Russellsche Antinomie]] war der Auslöser für die Entwicklung einer Axiomatischen Mengenlehre.
<div class="formula">
<math>\begin{array}{rclclcl}
  \emptyset_1 \not= \emptyset_2 & \;\leftrightarrow\; & \neg(\bigwedge x: (x \in \emptyset_1 \rightarrow x \in \emptyset_2) \wedge (x \in \emptyset_2 \rightarrow x \in \emptyset_1)) \\
                                & \;\leftrightarrow\; & \bigvee x: (x \in \emptyset_1 \wedge x \not\in \emptyset_2) \vee (x \in \emptyset_2 \wedge x \not\in \emptyset_1) \\
                                & \;\rightarrow\;    & \bigvee x: x \in \emptyset_1 \vee x \in \emptyset_2\\
\end{array}
</math></div>
Das ist aber ein Widerspruch zu den Voraussetzungen $\bigwedge x: x \notin \emptyset_1$ und $\bigwedge x: x \notin \emptyset_2$.


==Formale Definition des Begriffs {{Menge}}==
Dass die leere Menge $\emptyset$ tatsächlich eine Menge und nicht etwas einen Unmenge ist, muss axiomatisch gefordert werden:


Ein {{Klasse}} $m$ ist eine {{Menge}}, wenn sie Element der Allklasse ist:
<div class="formula">Axiom: $\rm{Mg}(\emptyset)$</div>


<div class="formula">$\mbox{Mg}(m) := m \in \mathcal{V}$</div>
===Alternative Definition der Begriffe „Menge“ und „Unmenge“ ===


==Formale Definition des Begriffs {{Unmenge}} oder [[echte Klasse]]==
Ein Klasse $k$ ist eine '''Menge''', wenn sie Element der Allklasse ist:
<div class="formula">$\mbox{Mg}(k) \leftrightarrow k \in \mathcal{V}$</div>


Eine {{Klasse}} $u$ ist eine {{Unmenge}} oder [[echte Klasse]], wenn sie kein Element der Allklasse ist:  
Eine Klasse $k$ ist eine '''Unmenge''' oder '''echte Klasse''', wenn sie kein Element der Allklasse ist:  
<div class="formula">$\rm{UMg}(k) \leftrightarrow k \notin \mathcal{V}$</div>


<div class="formula">$\rm{UMg}(m) := m \notin \mathcal{V}$</div>
===Gleichheit von Klassen===


==Beispiel für eine echte Klasse==
Die Gleichheitsbeziehung ist eine [[Äquivalenzrelation]]:


Die Russell-Klasse ist eine echte Klasse, denn sonst wäre <math>R \in R \Leftrightarrow R\notin R</math>.
{{Formel|\bigwedge a: a {{=}} a}}
{{Formel|\bigwedge a, b: a {{=}} a \leftrightarrow b {{=}} a}}
{{Formel|\bigwedge a,b,c : a{{=}}b \wedge b{{=}}c \rightarrow a{{=}}c}}


Auch die Allklasse ist eine echte Klasse. Dies kann aber erst mit Hilfe weiterer Axiome gezeigt werden.
Der [[Satz von Löwenheim/Skolem]] für die [[Prädikatenlogik erster Stufe]] besagt, dass jede [[Erfüllbarkeit|erfüllbare Menge]] von prädikatenlogischen Aussagen ein abzählbares Modell hat.
Daraus folgt insbesondere, dass  es ohne Auszeichnung der Gleichheit unmöglich ist, Mengen einer festen endlichen Kardinalität oder endliche Mengen zu charakterisieren.<ref>{{Quelle|Güntzer, Schmidt, Kempf, Möller (1989)}}, S. 3.4-18</ref>
 
Um dieses „Problem“ zu vermeiden, müsste man [[Prädikatenlogik erster Stufe mit Gleichheit]] zur Definition mengentheoretischer Aussagen verwenden.
Das heißt, neben dem Prädikat „$\in$“ gäbe es noch das Gleichheitsprädikat „$=$“, dessen Bedeutung prädikatenlogisch und nicht mengentheoretisch definiert werden würde.
 
Einen großen Vorteil würde man damit aber nicht erzielen. So oder so gibt es bereits für endliche Mengen beliebig viele Darstellungen, wie z.B.
{{Formel| \{1,5\} {{=}} \{5,1\} {{=}} \{1,1,5\} {{=}} \{1,5,1,5\} {{=}} \{1,5,1,1,1,5\} {{=}} \ldots | (Darstellungen einer zweielementigen Menge)}}
 
Ohne die Sonderbehandlung der Gleichheit spiegelt sich dies auch in den möglichen Modellen wieder, da es Modelle geben kann, in denen eine  
Menge (oder Klasse) nicht nur durch ein Objekt, sondern durch diverse äquivalente Objekte repräsentiert wird.  
Beispielsweise könnte die zweielementige Menge $\{1,5\}$ im Modell durch eine Vielzahl von [[Zeichenkette]]n repräsentiert werden (vgl. [[Herbrandinterpretation]]):
 
<div class="formula"><code>{1,5}</code>, <code>{5,1}</code>, <code>{1,1,5}</code>, <code>{1,5,1,5}</code>, <code>{1,5,1,1,1,5}</code> etc.</div>
 
Ob durch die Sonderbehandlung der Gleichheit die Anzahl der möglichen Modelle etwas eingeschränkt wird oder nicht, ist
angesichts der Tatsache, dass man sowieso mit zahlreichen Darstellungen einer Menge (oder Klasse) konfrontiert wird, nicht wirklich von Bedeutung.


=Bemerkungen=
Viel wichtiger wäre die Beantwortung der Frage, ob es überhaupt ein Modell gibt. Aber diese Frage lässt sich – als eine weitere Schlussfolgerung aus dem zweiten [[Unvollständigkeitssatz]] von [[Kurt Gödel]]<ref name="Gödel" /> – nicht beantworten.


Die Begriffe {{Klasse}} und {{Menge}} werden eigentlich gar nicht definiert,
==Quellen==
sondern es wird nur gesagt, auf welche Art und Weise Formeln gebildet werden müssen, um mit diesen Begriffen arbeiten
<references/>
zu können.
Das ist axiomatische Mathematik in Reinform. :-)


=Quelle=
==Siehe auch==
# {{Quelle|Schwichtenberg, H. (1985): Mengenlehre}}
# {{Quelle|Schwichtenberg, H. (2000): Mathematische Logik}}


=Siehe auch=
#{{SieheAuch|Felscher (1978)}}
*[[Wikipedia:Klasse (Mengenlehre)]]
#{{SieheAuch|Ebbinghaus (2003)}}
#[[Wikipedia:Klasse (Mengenlehre)]]
#[[Wikipedia:Ackermann-Mengenlehre]]
[[Kategorie:Mengenlehre]]
[[Kategorie:Mengenlehre]]

Aktuelle Version vom 26. August 2019, 13:04 Uhr

Dieser Artikel erfüllt die GlossarWiki-Qualitätsanforderungen nur teilweise:

Korrektheit: 2
(teilweise überprüft)
Umfang: 2
(wichtige Fakten fehlen)
Quellenangaben: 2
(wichtige Quellen fehlen)
Quellenarten: 5
(ausgezeichnet)
Konformität: 5
(ausgezeichnet)

Ursprüngliche Definition

Der Begriff Klasse wurde zu Zeiten, als John von Neumann, Paul Bernays und Kurt Gödel diesem Begriff noch nicht seine heutige Bedeutung gegeben hatten, häufig als Synonym für den Begriff Menge verwendet.[1]

Anschauliche moderne Definition

Der Begriff Klasse wird in der „modernen“ Mathematik als Verallgemeinerung des Begriffes Menge verwendet.

Eine Klasse fasst – genauso wie eine Menge – bestimmte Objekte eines Programmiersprache Cs mittels der Element-Beziehung zu einer ungeordneten Einheit zusammen.

Allerdings unterscheidet man nun zwei Arten von Klassen, um Antinomien wie die Russellsche Antinomie zu vermeiden:

  • Mengen
  • virtuelle Klassen (echte Klassen, Unmengen)

Mengen sind „gutartige“ Klassen, in dem Sinne, dass sie selbst Elemente von Klassen sein können. Virtuelle Klassen sind dagegen so umfangreich, dass sie in überhaupt keiner Klasse als Element vorkommen können.

Definition in Anlehnung Schmidt[2]

Definitionen „mengentheoretische Aussageform“ und „mengentheoretische Aussage“

Eine prädikatenlogische Aussageform erster Stufe heißt mengentheoretische Aussageform, wenn in dieser Aussageform alle Prädikate die Form $x \in y$ haben. Eine geschlossene Aussageform, d.h. eine Aussageform, in der alle Variablen durch Quantoren gebunden sind, heißt mengentheoretische Aussage.

Die Elementbeziehung $\in$ ist also das einzige Prädikatssymbol in einer mengentheoretische Aussageform. Alle anderen Symbole entstammen der Prädikatenlogik erster Stufe: $\top, \bot, \wedge, \vee, \neg, \rightarrow, \leftrightarrow, \bigwedge, \bigvee$ sowie Variablen.

Definition „Klasse“

Gegeben seien ein Klassenuniversum $\mathcal K$ und ein zweistelliges Prädikat $\in$.

Eine Klasse, d.h. ein Mitglied des Klassenuniversums $\mathcal K$ zeichnet sich dadurch aus, dass sie Klassen als Elemente enthalten und Element von Klassen sein kann:

Für je zwei Klassen $x$ und $y$ gilt entweder
$\quad x$ ist Element von $y$, kurz $x \in y$
oder
$\quad x$ ist kein Element von $y$, kurz $\neg(x \in y)$ oder kürzer $x \notin y$.

Die Eigenschaften von Klassen werden axiomatisch mit Hilfe von mengentheoretische Aussageformen für ein „Universum“ $\mathcal{K}$ von Klassen festgelegt.

Weitere Prädikate

Für das Klassenuniversum gibt es diverse weitere Prädikate. Diese werden allerdings alle mit Hilfe der Element-Beziehung (als Abkürzungen für spezielle mengentheoretische Aussageformen) definiert.

Eine Klasse $a$, die Element irgendeiner beliebigen Klasse ist, heißt Menge:

$\rm{Mg}(a) \; :\leftrightarrow \; \bigvee k: a \in k$

Ein Klasse $a$, die kein Element irgendeiner Klasse ist, heißt Unmenge oder echte Klasse:

$\rm{UMg}(a) \; :\leftrightarrow \; \neg\rm{Mg}(a) \;\;(\leftrightarrow\; \neg\bigvee k: a \in k \;\leftrightarrow\; \bigwedge k: a \notin k)$

Eine Klasse $a$ heißt Teilklasse einer Klasse $b$, wenn jedes Element von $a$ auch Element von $b$ ist; alternativ sagt man auch $b$ ist Oberklasse von $a$:

$a \subseteq b \; :\leftrightarrow \; b \supseteq a \; :\leftrightarrow \; \bigwedge k: (k \in a \rightarrow k \in b)$

Zwei Klassen heißen gleich, wenn sie dieselben Elemente enthalten, anderenfalls heißen sie ungleich:

$a = b \; :\leftrightarrow \; \bigwedge k: (k \in a \leftrightarrow k \in b)$
$a \neq b \; :\leftrightarrow \; \neg(a = b)$

Eine Klasse $a$ heißt echte Teilklasse einer Klasse $b$, falls $a$ Teilklasse von $b$ aber ungleich $b$ ist; alternativ sagt man auch „$b$ ist echte Oberklasse von $a$“:

$a \subset b \; :\leftrightarrow \; b \supset a \; :\leftrightarrow \;(a \subseteq b \wedge b \neq a)$

Klassenkonstruktion

Wenn $A(m)$ eine mengentheoretische Aussageform ist, in der die Variable $ m $ frei vorkommen kann, dann heißt $\{m:A(m)\}$ Klasse aller Elemente $m$ mit der Eigenschaft $A(m)$.

Hier wurde ein so genanntes Termschema definiert: Für jede konkrete mengentheoretische Aussageform $A(m)$ ergibt sich ein konkreter Term $\{m:A(m)\}$.

Damit diese Terme in mengentheoretischen Aussagen und Aussageformen verwendet werden können, werden folgende zwei Vereinbarungen getroffen:

$a \in \{m:A(m)\} \;:\leftrightarrow\; \rm{Mg}(a) \wedge A(a)$
$\{m:A(m)\} \in a \;:\leftrightarrow\; \bigvee k: ( k \in a \,\wedge\, \bigwedge m: (m \in k \leftrightarrow \rm{Mg}(m) \wedge A(m)) )$

Mit Hilfe dieser beiden Definitionen kann jeder Klassenterm $\{m:A(m)\}$ in jeder beliebigen Aussageform „eliminiert“ werden, indem der Term einfach durch die ihn definierende Aussageform ersetzt wird.

Die freie Variable muss nicht unbedingt $m$ heißen, sondern kann anders benannt werden, solange sich dadurch nicht die Semantik der Aussageform $A(m)$ ändert. Insbesondere kann $m$ durch jede Variable $x$ ersetzt werden, die nicht als gebundene Variable im $A(m)$ enthalten ist. Der so geänderte Term beschreibt dieselbe Klasse:

$ \begin{array}{rclclcl} a \in \{m:A(m)\} & \;\leftrightarrow\; & \rm{Mg}(a) \wedge A(a) \\ & \;\leftrightarrow\; & a \in \{x:A(x)\}\\ \{m:A(m)\} \in a & \;\leftrightarrow\; & \bigvee k: ( k \in a \,\wedge\, \bigwedge m: (m \in k \leftrightarrow \rm{Mg}(m) \wedge A(m)))\\ & \;\leftrightarrow\; & \bigvee k: ( k \in a \,\wedge\, \bigwedge x: (x \in k \leftrightarrow \rm{Mg}(x) \wedge A(x)))\\ & \;\leftrightarrow\; & \{x:A(x)\} \in a \end{array} $

Allerdings ist nicht jede Umbenennung erlaubt. Beispielsweise kann in der Aussageform $A(m) = \bigvee x: x \in m$ die freie Variable $m$ nicht durch $x$ ersetzt werden, sich dadurch die Semantik ändert:

$\{m: \bigvee x: x \in m \}$ ist nicht äquivalent zu $\{x: \bigvee x: x \in x\}$

Wenn $A(m,v_1,\ldots,v_n)$ neben $m$ noch weitere freie Variablen $v_1,\ldots,v_n$ enthält, ergibt sich für jede konkrete Belegung $[v_1|a_1,\ldots,v_n|a_n]$ dieser weiteren freien Variablen ein eigener Term $\{m:A(m,v_1|a_1,\ldots,v_n|a_n)\}$, indem in $A$ jedes freie Vorkommen der Variablen $v_i$ durch den konkreten Wert $a_i$ ersetzt wird.

Spezielle Klassen Anlehnung Schmidt[2]

$\emptyset $ $:= \{m: \bot \} = \{m: \rm{UMg}(m)\} = \{m: m \not= m\} $ leere Menge, d.h. diejenige Klasse, die keine Mengen (und auch keine Unmengen!) enthält.
$\mathcal{V} $ $:= \{m: \top \} = \{m: \rm{Mg}(m)\} = \{m: m = m\} $ Allklasse, d.h. diejenige Klasse, die alle Mengen enthält.
$\mathcal{R} $ $:= \{m: m\notin m\}$ Russell-Klasse, d.h. diejenige Klasse, die alle Mengen enthält, die sich nicht selbst enthalten.
$a \cup b $ $:= \{m: m \in a \vee m \in b\}$ Vereinigung zweier Klassen $a$ und $b$
$a \cap b $ $:= \{m: m \in a \wedge m \in b\}$ Durchschnitt zweier Klassen $a$ und $b$
$a \setminus b $ $:= \{m: m \in a \wedge m \notin b\}$ Differenz zweier Klassen $a$ und $b$
$\bar a $ $:= \{m: m \notin a \} = \mathcal{V} \setminus a$ Komplement der Klasse $a$
$\{\} $ $:= \emptyset$ alternativer Name für die leere Menge
$\{a\} $ $:= \{m: \rm{Mg}(a) \rightarrow m = a\}$ Einermenge oder einelementige MEnge; es gilt $\rm{Mg}(a) \leftrightarrow (m \in \{a\} \leftrightarrow m=a)$ und $\rm{UMg}(a) \leftrightarrow \{a\} = \mathcal{V}$
$\{a, b\} $ $:= \{a\} \cup \{b\} $ Zweiermenge oder zweielementige Menge (falls $a \not=b$)
$\{a, b, c\} $ $:= \{a, b\} \cup \{c\} $ Dreiermenge oder dreielementige Menge (falls $a$, $b$, $c$ paarweise verschieden sind)
$\vdots $

Alternative Definition der einelementigen Menge

Alternativ könnte man auch $\{a\} := \{x: x = a\}$ festsetzen. Für Mengen ergäbe sich daraus kein Unterschied zur obigen Definition. Für Unmengen würde dagegen $\rm{UMg}(a) \leftrightarrow \{a\} = \emptyset$ an Stelle von $\rm{UMg}(a) \leftrightarrow \{a\} = \mathcal V$ gelten. In den meisten Fällen ist es praktischer, Unmengen auf die Unmenge $\mathcal{V}$ und nicht auf die leere Mengen $\emptyset$ abzubilden, da man normalerweise weniger Fallunterscheidungen treffen muss. Beispielsweise gilt im ersten Fall $\{\{\mathcal R\}\} = \mathcal V$, im zweiten Fall dagegen $\{\{\mathcal R\}\} = \{\emptyset\}$. Das heißt, bei der Alternativdefinition würde man dem Ergebnis nicht mehr ansehen, dass ursprünglich versucht wurde, eine Unmenge als Element in eine Menge zu stecken. Allerdings bietet auch die Alternativdefinition Vorteile. Zum Beispiel ist $\{a\}$ im Falle der Alternativdefinition stets eine Menge.

Anthony Morse löst diese Problem, indem er in seiner Mengenlehre die „einelementige“ Klasse für jede Klasse $a$ auf beide Arten definiert: $\rm{sngl}\,a$ ist bei ihm die zugehörige „einelementige“ Klasse mit $\rm{sngl}\,a = \mathcal V$ im Falle von Unmengen $a$ und $\rm{sng}\,a$ ist die „einelementige“ Menge mit $\rm{sng}\,a = \emptyset$ im Falle von Unmengen $a$. Für Mengen $a$ stimmen diese beiden Definitionen überein und enthalten jeweils auch nur ein Element, nämlich $a$. Darüber hinaus definiert Morse $\{x\} := \rm{sngl}\,x$. Das heißt, er definiert $\{a\}$ genauso wie Schmidt.[3]

Verzicht auf Urelemente

In der klassenbasierten Mengenlehre wird heutzutage ebenso wie in der „reinen“ Mengenlehre auf die Definition von „Urelementen“ meist verzichtet. Die leere Menge reicht als Urelement aus. Wenn man irgendwelche realen oder abstrakten Objekte in Klassen zusammenfassen will, so muss man zunächst die diese Objekte mit bestimmten Klassen identifizieren. Man muss also für jedes Objekt eine Klasse definieren, die diese Objekt repräsentiert.

John von Neumann hat beispielsweise vorgeschlagen, die Ordinalzahlen – und damit als Spezialfall die natürlichen Zahlen – so zu definieren, dass jede Ordinalzahl (Neuman spricht von „Ordnungszahl“) alle ihre Vorgänger als Elemente enthält[4]:

$0 := \{\}$
$1 := 0 \cup \{0\} = \{\{\}\}$
$2 := 1 \cup \{1\} = \{0, 1\} = \{\{\}, \{\{\}\}\}$
$3 := 2 \cup \{2\} = \{0, 1, 2\} = \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}\}$
$\vdots$
$\omega = \{0, 1, 2, \ldots\} = \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}, \ldots\}$
$\omega+1 = \omega \cup \{\omega\} = \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}, \ldots, \{ \{\{\}, \{\{\}\}, \{\{\}, \{\{\}\}\}, \ldots\}\}\}$
$\vdots$

Anschließend kann man auch beliebige Ordinalzahlen in Klassen zusammenfassen. Genaugenommen werden allerdings keine Ordinalahlen, sondern deren Stellvertreter zu Klassen zusammengefasst:

$\{0,2\}= \{\{\},\{\{\{\}\},\{\}\}\}$
etc.

Die Definition von Neumann hat sich als besonders nützlich erwiesen, gerade weil sie nicht nur auf natürliche Zahlen beschränkt ist. Aber es gibt selbstverständlich noch zahlreiche andere Möglichkeiten, natürliche Zahlen oder Ordinalzahlen durch Klassen zu repräsentieren.

Beispiel für eine Alternativ-Definition der natürlichen Zahlen:

$0 := \{\}$
$1 := \{\{\}\}$
$2 := \{\{\{\}\}\}$
$3 := \{\{\{\{\}\}\}\}$
$\vdots$
$n+1 := \{n\}$
Vor- und Nachteile des Verzichts auf Urelemente

Der gravierende Vorteil, den der Verzicht auf Urelemente bietet, ist, dass man sich in Beweisen viele Fallunterscheidungen der Art „Wenn $x$ ein Urelement ist ..., anderenfalls ...“ spart.

Ein Nachteil ist, dass Mengenoperationen aus Mengen, die keine Urelemente repräsentieren, zufällig Mengen erzeugen können, die Urelemente repräsentieren, obwohl dies im aktuellen Kontext evtl. gar nicht von Bedeutung ist.

Ein weiterer Nachteil könnte sein, dass Mengen, die Urelemente repräsentieren, zusätzliche Eigenschaften haben, die die eigentlichen Urelemente gar nicht haben. Beispielsweise gelten für Ordinalzahlen, die auf die von-neumannsche Art definiert werden, ungewöhnliche Zusatzbeziehungen:

$\bigwedge m,n \in \Omega: m<n \leftrightarrow m \in n$
$4 \cap 2 = 2$ oder allgemeiner $\bigwedge m,n \in \Omega: m \cap n = \rm{min}(m,n)$
etc.

Für die Ordinalzahlen selbst gelten diese Beziegunhen dagegen nicht, da die Element-Beziehung, der Mengendurchschnitt etc. gar nicht definiert sind. Und wenn man natürliche oder Ordinalzahlen durch andere Mengen repräsentiert, ergeben sich andere Gesetzmässigkeiten. Wenn beispielsweise die obige Alternativ-Definition verwendet wird, dann gelten andere Gesetzmäßigkeiten als zuvor:

$4 \cap 2 = 0$ oder allgemeiner $\bigwedge m,n \in \mathbb{N}:m \not= m \rightarrow m \cap n = \{\}$

Die zusätzlichen Mengeneigenschaften, die Von-Neumann-Ordinalzahlen haben, haben sich allerdings nicht als Nachteil, sondern als Vorteil erwiesen, da damit viele Beweise über die Ordinalzahlen mit mengentheoretischen Hilfsmitteln beweisen lassen.

Unterschied zwischen Mathematik und Informatik

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Mathematik und Informatik ist die Behandlung von Urelementen: In der Mathematik wird heute – wie zuvor beschrieben wurde – i.Allg. auf Urelemente ganz verzichtet. Stattdessen werden bestimmte Mengen (oder Klassen) als Repräsentanten für die benötigten Urelemente verwendet.

In der Informatik sind Urelemente dagegen von zentraler Bedeutung. Diese werden i. Allg. Werte oder Atome genannt. Beispiele:

  • Boolesche Werte
  • Numerische Werte
  • Zeichenketten
  • etc.

Axiomatisierung

Dass auf die zuvor beschriebene Art Weise tatsächlich Klassen gebildet werden können und welche dieser Klassen Mengen sind, wird axiomatisch festgelegt.

Komprehensionsaxiome

Es sei $A(k)$ eine mengentheoretische Aussageform in der $k$ eventuell als freie Variable vorkommt.

Die Komprehensionsaxiome – es gibt abzählbar viele davon, da für es jede der Aussageformen $A(k)$ ein eigenes Axiom gibt – sagen aus, unter welchen Umständen die Klasse $\{k: k \in A(k)\}$ existiert, also unter welchen Umständen die Objekte $k$ zu einer Klasse zusammengefasst werden können (Komprehension = Zusammenfassung).

Naive Komprehensionsaxiome

Gottlob Frege hat in seinen „Grundgesetzen der Arithmetik“[5] die uneingeschränkte Mengenbildung bzw. Klassenbildung zugelassen.[6]

Die „naiven“ Komprehensionsaxiome lauten – in moderner Notation – folgendermaßen:

Für jede mengentheoretische Aussageform $A(k)$ gilt: $\bigvee K: \bigwedge k: (k\in K \leftrightarrow A(k))$

Diese Axiome führen jedoch sofort zur Russellschen Antinomie, indem man $A(k) := k \not\in k$ setzt. Das zugehörige Komprehensionsaxiom lautet:

$\bigvee K: \bigwedge k: (k\in K \leftrightarrow k \notin k)$

Es sei $\mathcal R$ eine derartige Klasse $K$, dann gilt für jede Klasse $k$:

$k \in \mathcal R \leftrightarrow k \notin k$

Insbesondere gilt dies für die Klasse $\mathcal R$. Dies führt aber zu einem logischen Widerspruch:

$\mathcal R \in \mathcal R \leftrightarrow \mathcal R \notin \mathcal R$

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Komprehension so zu beschänken, dass die Russellsche Antinomie nicht mehr direkt aus diesem Axiom abgeleitet werden kann. (Ob sie mit Hilfe weiterer Axiome der Mengenlehre abgeleitet werden kann, ist dagegen unbekannt. Falls dies nicht der Fall sein sollte – wovon man heute ausgeht –, kann dies jedoch nicht bewiesen werden. Dies ist eine der Schlussfolgerungen, die man aus dem zweiten Unvollständigkeitssatz von Kurt Gödel[7] ziehen kann.)

Klassen-Komprehensionsaxiome

In der Quine-Rosser-Mengenlehre werden folgende Komprehensionsaxiome eingesetzt, bei der darauf geachtet wird, dass nur Mengen (aber keine Unmengen) in Klassen zusammengefasst werden:

Für jede mengentheoretische Aussageform $A(k)$ gilt: $\bigvee K: \bigwedge k: (k\in K \leftrightarrow \rm{Mg}(k) \wedge A(k))$

Hier gilt für eine zur Aussageform $k \notin k$ gehörige Klasse $\mathcal R$:

$\mathcal R \in \mathcal R \leftrightarrow \rm{Mg}(\mathcal R) \wedge \mathcal R \notin \mathcal R$

Und daraus folgt $\neg\rm{Mg}(\mathcal R)$, d.h. $\mathcal R$ ist eine Unmenge, da anderenfalls eine Widerspruch auftreten würde. Es gibt also (mindestens) eine Russell-Klasse $\mathcal R$, die aber keine Menge, sondern eine Unmenge ist.

Die Unterscheidung zwischen Mengen und Unmengen stellt somit eine Möglichkeit dar, das Problem der Russellschen Antinomie zu vermeiden:

Auch die Allklasse ist eine echte Klasse. Dies kann aber erst mit Hilfe weiterer Axiome gezeigt werden.

Einfache Lemmata

Die leere Menge

Die leere Menge $\emptyset = \{m: \bot \}$ erfüllt die Bedingung $\bigwedge x: x \notin \emptyset$, da:

$ \begin{array}{rclr} x \notin \emptyset & \;\leftrightarrow\; & \neg(x \in \emptyset) \\ & \;\leftrightarrow\; & \neg(x \in \{m: \bot \}) & \rm{(Definition\ der\ leeren Menge)}\\ & \;\leftrightarrow\; & \neg(\rm{Mg}(x) \wedge \bot) & \rm{(Definition\ des\ Mengenoperators\ }\{\cdot:\cdot\}\rm{)}\\ & \;\leftrightarrow\; & \neg\bot \\ & \;\leftrightarrow\; & \top \end{array} $

Es gibt nur eine leere Menge $\emptyset$, d.h. eine Klasse, die diese Bedingung erfüllt. Gäbe es zwei verschiedene leere Mengen $\emptyset_1$ und $\emptyset_2$, die diese Bedingung erfüllen, so gälte laut der Definition der Gleichheit von Mengen:

$ \begin{array}{rclclcl} \emptyset_1 \not= \emptyset_2 & \;\leftrightarrow\; & \neg(\bigwedge x: (x \in \emptyset_1 \rightarrow x \in \emptyset_2) \wedge (x \in \emptyset_2 \rightarrow x \in \emptyset_1)) \\ & \;\leftrightarrow\; & \bigvee x: (x \in \emptyset_1 \wedge x \not\in \emptyset_2) \vee (x \in \emptyset_2 \wedge x \not\in \emptyset_1) \\ & \;\rightarrow\; & \bigvee x: x \in \emptyset_1 \vee x \in \emptyset_2\\ \end{array} $

Das ist aber ein Widerspruch zu den Voraussetzungen $\bigwedge x: x \notin \emptyset_1$ und $\bigwedge x: x \notin \emptyset_2$.

Dass die leere Menge $\emptyset$ tatsächlich eine Menge und nicht etwas einen Unmenge ist, muss axiomatisch gefordert werden:

Axiom: $\rm{Mg}(\emptyset)$

Alternative Definition der Begriffe „Menge“ und „Unmenge“

Ein Klasse $k$ ist eine Menge, wenn sie Element der Allklasse ist:

$\mbox{Mg}(k) \leftrightarrow k \in \mathcal{V}$

Eine Klasse $k$ ist eine Unmenge oder echte Klasse, wenn sie kein Element der Allklasse ist:

$\rm{UMg}(k) \leftrightarrow k \notin \mathcal{V}$

Gleichheit von Klassen

Die Gleichheitsbeziehung ist eine Äquivalenzrelation:

$\bigwedge a: a = a$
$\bigwedge a, b: a = a \leftrightarrow b = a$
$\bigwedge a,b,c : a=b \wedge b=c \rightarrow a=c$

Der Satz von Löwenheim/Skolem für die Prädikatenlogik erster Stufe besagt, dass jede erfüllbare Menge von prädikatenlogischen Aussagen ein abzählbares Modell hat. Daraus folgt insbesondere, dass es ohne Auszeichnung der Gleichheit unmöglich ist, Mengen einer festen endlichen Kardinalität oder endliche Mengen zu charakterisieren.[8]

Um dieses „Problem“ zu vermeiden, müsste man Prädikatenlogik erster Stufe mit Gleichheit zur Definition mengentheoretischer Aussagen verwenden. Das heißt, neben dem Prädikat „$\in$“ gäbe es noch das Gleichheitsprädikat „$=$“, dessen Bedeutung prädikatenlogisch und nicht mengentheoretisch definiert werden würde.

Einen großen Vorteil würde man damit aber nicht erzielen. So oder so gibt es bereits für endliche Mengen beliebig viele Darstellungen, wie z.B.

$ \{1,5\} = \{5,1\} = \{1,1,5\} = \{1,5,1,5\} = \{1,5,1,1,1,5\} = \ldots $ (Darstellungen einer zweielementigen Menge)

Ohne die Sonderbehandlung der Gleichheit spiegelt sich dies auch in den möglichen Modellen wieder, da es Modelle geben kann, in denen eine Menge (oder Klasse) nicht nur durch ein Objekt, sondern durch diverse äquivalente Objekte repräsentiert wird. Beispielsweise könnte die zweielementige Menge $\{1,5\}$ im Modell durch eine Vielzahl von Zeichenketten repräsentiert werden (vgl. Herbrandinterpretation):

{1,5}, {5,1}, {1,1,5}, {1,5,1,5}, {1,5,1,1,1,5} etc.

Ob durch die Sonderbehandlung der Gleichheit die Anzahl der möglichen Modelle etwas eingeschränkt wird oder nicht, ist angesichts der Tatsache, dass man sowieso mit zahlreichen Darstellungen einer Menge (oder Klasse) konfrontiert wird, nicht wirklich von Bedeutung.

Viel wichtiger wäre die Beantwortung der Frage, ob es überhaupt ein Modell gibt. Aber diese Frage lässt sich – als eine weitere Schlussfolgerung aus dem zweiten Unvollständigkeitssatz von Kurt Gödel[7] – nicht beantworten.

Quellen

  1. siehe beispielsweise Russell (1903): Bertrand Russell; The Principles of Mathematics; Auflage: 2; Verlag: W. W. Norton & Company; Adresse: Berlin; Web-Link; 1903; Quellengüte: 5 (Buch)
  2. 2,0 2,1 Schmidt (1966): Jürgen Schmidt; Mengenlehre – Grundbegriffe; Reihe: B.I.Hochschultaschenbücher; Band: 1; Nummer: 56; Verlag: Bibliographisches Institut AG; Adresse: Mannheim; ISBN: B0000BUJC6; 1966; Quellengüte: 5 (Buch)
  3. Morse (1965): Anthony Perry Morse; A Theory of Sets; Reihe: Pure and Applied Mathematics; Band: 18; Verlag: Academic Press; Adresse: New York, London; Web-Link; 1965; Quellengüte: 5 (Buch), 2.45, 2.5.5.0
  4. Neumann (1923): John von Neumann; Zur Einführung der transfiniten Zahlen; in: Acta Scientiarum Mathematicarum (Szeged); Band: 1; Nummer: 4; Seite(n): 199-208; Hochschule: Szegedi Tudományegyetem; Web-Link; 1923; Quellengüte: 5 (Artikel)
  5. Frege (1893): Gottlob Frege; Grundgesetze der Arithmetik; Band: I; Verlag: Verlag Hermann Pohle; Adresse: Jena; Web-Link 0, Web-Link 1, Web-Link 2, Web-Link 3; 1893; Quellengüte: 5 (Buch)
  6. Frege (1903): Gottlob Frege; Grundgesetze der Arithmetik; Band: II; Verlag: Verlag Hermann Pohle; Adresse: Jena; Web-Link 0, Web-Link 1; 1903; Quellengüte: 5 (Buch), Nachwort, S. 253
  7. 7,0 7,1 Gödel (1931): Kurt Gödel; Über formal unentscheidbare Sätze der Principia Mathematica und verwandter Systeme I; in: Monatshefte für Mathematik und Physik; Band: 38; Nummer: 1; Seite(n): 173-198; Verlag: Springer-Verlag GmbH; Adresse: Wien; Web-Link; 1931; Quellengüte: 5 (Artikel)
  8. Güntzer, Schmidt, Kempf, Möller (1989): Ulrich Güntzer, Gunther Schmidt, Michael Kempf und Bernhard Möller; Mathematische Logik; Band: TUM-I-8900; Hochschule: Technische Universität München; 1989; Quellengüte: 4 (Skript), S. 3.4-18

Siehe auch

  1. Felscher (1978): W. Felscher; Naive Mengen und abstrakte Zahlen; Band: 1; Verlag: BI-Wissenschaftsverlag; Adresse: Mannheim; ISBN: 3-411-01538-1; 1978; Quellengüte: 5 (Buch)
  2. Ebbinghaus (2003): Heinz-Dieter Ebbinghaus; Einführung in die Mengenlehre; Reihe: Hochschultaschenbuch; Auflage: 4; Verlag: Spektrum Akademischer Verlag; Adresse: Heidelberg, Berlin; ISBN: 3-8274-1411-3; 2003; Quellengüte: 5 (Buch)
  3. Wikipedia:Klasse (Mengenlehre)
  4. Wikipedia:Ackermann-Mengenlehre