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Ordinalzahl

Beim Zählen benutzt man Ordinalzahlen (auch Ordnungszahlen genannt), um die Position eines Elements in einer Folge anzugeben: „Erstes, zweites, drittes, ... Element“. Sprachlich benutzt man dazu bestimmte Zahlwörter. Auf dieser Weise ordnet man jedem Element der Folge eine natürliche Zahl zu, die zum Index dieses Elementes wird. Mit Hilfe der Indizes kann man Schlussfolgerungen darüber machen, ob ein Element vor einem anderen Element steht, wie „weit“ es vom Anfang der Folge entfernt ist und falls es einen Vorgänger hat, diesen Vorgänger zu bestimmen. Solche Schlussfolgerungen kann man nicht nur für die Folge als ganzes machen, sondern auch für jede ihrer Teilfolgen, die genau so wie die gesamte Folge ein Anfangselement und Nachfolgeelemente besitzen. Eine natürliche Zahl kann für zwei Zwecke benutzt werden: Zum einen, um die Anzahl der Elemente einer (endlichen) Menge zu beschreiben, und zum anderen, um die Position eines Elements in einer geordneten Menge anzugeben. Georg Cantor verdanken wir die Idee, wie man dieses Konzept innerhalb der Mengenlehre auf beliebige unendliche Mengen verallgemeinern kann. Während die beiden Konzepte - Zahl als Messinstrument für Größe und Zahl als Index - für endliche Mengen übereinstimmen, muss man sie für unendliche Mengen unterscheiden. Die Beschreibung der Größe einer Menge führt zu dem Begriff Kardinalzahl, während die Beschreibung der Position in einer geordneten Menge zu dem Begriff Ordinalzahl führt, was Thema dieses Artikels ist. Die Gesamtheit der Ordinalzahlen, die man meistens mit On oder Ord bezeichnet, bildet in der modernen Mengenlehre - wie die Kardinalzahlen - eine echte Klasse.

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte der Entdeckung 2 Die natürlichen Zahlen als geordnete Mengen 3 Motivation und Definition 3.1 Bemerkungen und andere Definitionen 4 Eigenschaften 5 Rechenoperationen 6 Topologische Eigenschaften 7 Literatur 8 Bemerkungen

Geschichte der Entdeckung

Der Bedarf an einer Erweiterung des Sytems der natürlichen Zahlen ist von Cantor festgestellt worden, als er die Frage untersucht hat, welche von den reelle Funktionen eine eindeutige Darstellung durch trigonometrische Reihen haben. Ihm ist aus Vorarbeiten von E. Heine bekannt gewesen, dass die im Intervall ( − π,π) stetigen Funktionen ein solche Darstellung haben. Cantor zeigt 1870, dass dies für jede Funktion richtig ist, deren trigonometrische Reihe überall konvergiert. Die Frage nach der Existenz von weiteren Funktionenklassen, die diese Eigenschaft besitzen, ist damit aber noch nicht beantwortet. Schon der Satz von Heine ist für Funktionen richtig, die fast überall stetig sind, also solche mit nur endlich vielen Unstetigkeitsstellen. Die Frage nach der Eindeutigkeit ist äquivalent zu der Frage, ob das Verschwinden der trigonometrischen Reihe

auf der Menge ( − π,π) \ E auch das Verschwinden der Koffizienten {a_n}_{n = 0,1,...} und {b_n}_{n = 1,2,...} nach sich zieht. Mengen E mit dieser Eigenschaft werden Mengen vom Typ U genannt (aus dem französischen unicite - Eindeutigkeit) und alle andere Mengen - Mengen vom Typ M (multiplicite - Mehrdeutigkeit).^[1] Endliche Mengen sind also Mengen vom Typ U. Indem man f(x) zwei Mal integriert, erhält man die Riemann-Funktion:^[2]

Wenn F(x) linear ist, dann sind alle {a_n}_{n = 0,1,...} und {b_n}_{n = 1,2,...} gleich 0. Wenn man also für eine Menge P beweisen würde, dass aus x (( − π,π) \ P) (f(x) = 0) die Linearität von F(x) folgt, dann wäre damit auch die Zugehörigkeit von P zum Typ U bewiesen worden. Cantor verwendet diese Idee in sienem Artikel „Über die Ausdehnung eines Satzes aus der Theorie der trigonometrischen Reihen“ vom Jahre 1871 und zeigt:

„Ist (p,q) irgendein Intervall, in der nur eine endliche Anzahl von Punkten der Menge P liegt, so ist F(x) in deisem Intervalle linear...“ (Seite 131.)

Falls P unendlich ist, dann hat sie mindestens einen Häufungspunkt. Cantor nennt die Menge der Häufungspunkte einer Menge P abgeleitete Menge und bezeichnet sie mit P⁽¹⁾, die abgeleitete von P⁽¹⁾ beziechnet er mit P⁽²⁾ usw.. (s. Hauptartikel: Ableitung einer Menge). Falls nach eindlich vielen Schritten eine endliche Menge P⁽ⁿ⁾ erreicht wird, dann nennt Cantor die Menge P eine Menge n-er Art. Cantor stellt fest, dass sich die Linearität von F(x) in dem Intervall (p,q) auch dann beweisen lässt, wenn (p,q) endlich viele Punkte der Menge P^(k) enthält, wobei die Korrektheit dieser Aussage von der Wahl der natürlichen Zahl k nicht abhängig ist. Mengen mit einer leeren mehrfachen Ableitung sind also immer vom Typ U. In deisem Artikel gehen die Cantorschen Überlegungen noch nicht über endliche Iterrationspozessen hinaus allerdings enthält er schon Denkmuster, die später die gesamte Mengenlehre prägen werden. Er ordnet der Veranschaunlichung der reellen Zahlen durch geometrischen Punkten eine zweitrangige Rolle zu, indem er die reellen Zahlen als Cauchy-Folgen aus Elementen der Menge A der rationalen Zahlen definiert. Die Menge dieser Folgen bezeichnet er mit B und definiert dort die für A üblichen Rechenarten. Chauchy-Folgen aus Elementen der Menge B bilden eine weitere Menge C. Dieser Prozess lässt sich theoretisch ins Unendliche fortsezen. Cantor versteht von nun an unter Punkt ein Element irgendwelcher Menge A, B, C,... . Der Aufbau solcher geordneter Hierarchien, bei denen der Übergang von einer Stufe zur Nächsten durch Grenzübergänge erfolgt, ist später zu einem häufig eingesetzten Mittel zur Einführung neuer mengentheoretischen Begriffe geworden. Wir werden sehen, dass eine solche Hierchie auch bei den Ordnungszahlen zu erkennen ist. Nach dieser Arbeit über trigonometrischen Reihen hat sich das Interesse Cantors für das Problem eine gleichzeitig notwendige und ausreichende Bedingung für die Eindeutigkeit der Entwicklung von Funktionen in trigonometrischen Reihen abgeschwächt. Die Frage ist später sehr intensiv von du Bois-Reymond, de la Vallee Poussin, Young, Denjoy, Bari, Raichmann und Menschow untersucht worden allerdings ohne dabei zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu kommen.^[1] Cantor selbst hat sich der Aufgabe gewidmet, die Punktmengen danach zu klassifizieren, wann der Prozess des Ableitens terminiert. Mengen, bei dennen das nach endlich vielen Schritten passiert, nennt Cantor Mengen der ersten Gattung. Eine Menge P ist genau, dann eine Menge der ersten Gattung, wenn der Durchschnitt

nicht leer ist. Ein natürlicher Gedanke dabei ist genau diese Menge zu der ersten Ableitung transfiniter Ordnung zu machen für Mengen zweiter Gattung. Cantor bezeichnet sie mit . Darauf folgen die Ableitungen

Cantor schreibt:

„Durch consequentes Fortschreiten gewinnt man successive die weiteren Begriffe:

u.s.w.; wir sehen hier eine dialektische Begriffserzeugung, welche immer weiter führt und dabei frei von jeglicher Willkür in sich nothwendig und consequent bleibt.“ (Über unendliche, lineare Punktmannichfaltigkeiten, 2., Math. Ann., 1880, Seiten 357-358).

In diesem nicht mal fünf Seiten langen Artikel zeichnet Cantor den so gut wie ganzen Weg, wie man aus den natürlichen Zahlen ein vollständiges transfinites System von Ordungszahlen entwickeln kann.

Die natürlichen Zahlen als geordnete Mengen

Um die natürlichen Zahlen in eine mengentheoretische Hierarchie einzubetten, verfährt man in der Mengenlehre folgendermaßen. Man nennt die leere Menge die Null der natürlichen Zahlenfolge. Jede weitere Zahl definiert man als die Menge der Zahlen, die schon definiert sind:

...

...

So definiert, sind die natürlichen Zahlen wohlgeordnet durch die Elementrelation (). Zum Beispiel hat die Zahl 4 die Elemente 0, 1, 2, 3, die als 0 < 1 < 2 < 3 geordnet werden. Man schreibt deshalb auch 4: = {0 < 1 < 2 < 3}. Eine natürliche Zahl a ist also kleiner als eine Zahl b wenn a ein Element von b ist.

Für die gesamte Menge der natürlichen Zahlen setzt man:

Die Existenz der Menge ω wird in dem Zermelo-Fraenkelschen Axiomensystem durch das Unendlichkeitsaxiom gesichert.

Motivation und Definition

Die Theorie der Ordinalzahlen ist eine Abstraktionstheorie, bei der von der „wahren Natur“ der Mengenelemente abgesehen wird und nur solche Eigenschaften untersucht werden, die aus ihrer Anordnung abgeleitet werden können. Man definiert dazu: Eine Bijektion f: A→B von der total geordneten Menge (A, ≤_A) auf der total geordneten Menge (B, ≤_B) heißt Ordnungsisomorphismus (oder ähnliche Abbildung), wenn a ≤_A b und f(a) ≤_B f(b) für alle a,bA äquivalent sind. Man sagt: die Mengen A und B sind ordnungsisomorph (oder ähnlich) und schreibt A B, wenn es zwischen A und B einen Ordnungisomorphismus gibt. Die Gesamtheit aller zueinander ordnungsisomorphen Mengen stellt eine Äquivalenzklasse dar, die Ordnungstypus genannt wird.

Man kann zeigen, dass jede endliche wohlgeordnete Menge ordnungsisomorph zu (genau) einer natürlichen Zahl ist. Außerdem sind für eine wohlgeordnete Menge die folgenden drei Aussagen äquivalent: 1.) Sie ist endlich. 2.) Die umgekehrte Ordnung ist eine Wohlordnung. 3.) Jede nichtleere Teilmenge hat ein größtes Element.

Dies liefert die Grundlage für die Verallgemeinerung der natürlichen Zahlen zu Ordinalzahlen, die als spezielle wohlgeordnete Mengen so gewählt werden, dass jede wohlgeordnete Menge ordnungsisomorph zu genau einer Ordinalzahl ist. Somit ist jede Ordinalzahl also spezieller Repräsentant eines bestimmten Ordnungstypus. Die folgende Definition verbessert Cantors Ansatz und wurde zuerst von John von Neumann angegeben:^[3]

Eine Menge S heißt Ordinalzahl, wenn jedes Element von S auch Teilmenge von S ist und S bezüglich der Mengeninklusion „“ total geordnet ist.

Eine solche Menge S ist automatisch wohlgeordnet aufgrund des Fundierungssaxioms, welches besagt: Jede nichtleere Menge S hat ein Element a, das disjunkt zu S ist. Die natürlichen Zahlen sind nach dieser Definition Ordinalzahlen. Zum Beispiel ist 2 = {0,1} ein Element von 4 = {0,1,2,3} und gleichzeitig eine Teilmenge. ω ist ebenfalls eine Ordinalzahl, die kleinste transfinite Ordinalzahl (größer als jede natürliche Zahl). Die Neumannsche Definition hat gegenüber der ersten Definition den Vorteil, dass sie aus der Sicht der Gundlagenforschung ein innerhalb der axiomatischen Mengenlehre eindwandfrei definiertes mengentheoretisches Objekt bestimmt. Jede wohlgeordnete Menge X ist ordnungsisomorph zu genau einer Ordinalzahl, die man meistens mit ord(X) oder bezeichnet.^[4]

Bemerkungen und andere Definitionen

Das Verwenden von Äquvalenzklassen aller Mengen bezüglich des Ordnungsisomorphsmus gilt aus der Sicht der modernen Mathematik deshalb als problematisch, weil diese „unfassbar große Objekte“ darstellen, die im Gegensatz zu den von Neumanschen Ordinalzahlen genetisch und nicht substanstantiell definiert sind.^[5] Ihre Existenz wird in der naiven Mengenlehre stillschweigend angenommen und kann innerhalb von ZFC ohne Verwendung der von Neumannschen Ordinalzahlen nicht begründet werden.^[6] Würde man auf konkrete Mengenhierachien verzichten, wie auf diese der von Neumannschen Zahlen, dann wäre nur durch Hinzunahme eines weiteren Axioms (das Ordinalzahlaxiom) möglich zu garantieren, dass jede wohlgeordnete Menge eine Ordinalzahl besitzt und dass ähnliche Mengen gleiche Ordinalzahlen haben.^[7] Dies hat aber als Konsequenz, dass neben den Mengen (und eventuell echten Klassen) noch ein weiteres mengentheoretisches Grundobjekt dazu kommen würde. Es sei erwähnt worden, dass ein Verzicht auf Mengenhierchien zur Einführung der Ordinalzahlen auf Kosten eines weiteren Axioms, keineswegs durch ästetische oder andere zweitrangige Gründen motiviert sein muss. Die von Neumannschen Zahlen liefern zwar eine Repräsentation der verschiedenen Wohlordnungen durch Mengen - ein solches Repräsentantensystem für alle lineare Ordnungen ist aber nicht bekannt (2004). Das Postulieren der Existenz von Ordnunstypen kann in diesem Fall nur durch Rückgriff auf Rang- oder Stufenfunktionen vermieden werden.^[8] Und die Existenz „vieler“ von Neumannschen Ordinalzahlen kann ja innerhalb von ZFC auch erst mit Hilfe des von Fraenkel 1922 zu dem Zermeloschen Axiomensystem extra dazugefühgten Ersetzungsaxioms bewiesen werden.^[9],[10] Die von Neumannsche Definition der Ordinalzahlen ist die heutzutage am meisten verwendete. Aber auch in den axiomatischen Mengenlehren sind Definitionen der Ordinalzahlen zu finden, die zur Bildung von Äquivalenzklassen greifen, was aber um Antinomien zu vermeiden unter Berücksichtigung bestimmter Restriktionen passiert. So ist z.B. die Menge der abzählbaren Ordinalzahlen ω₁ nach Hartogs die Menge der Äquivalenzklassen bezüglich des Ordnungsisomorphismus in der Teilmenge der wohlgeordneten Elementen von {(M,O) | M N; O M×M}, wenn N = ω ist.^[11] (ω₁, < ) ist mit α < β ξ α η β γ < η ({x | x < γ} ξ) wohlgeordnet. Diese Hierarchie läßt sich fortsetzen, indem man N = ω_n setzt und die Mengen ω_{n + 1} für n = 1,2,... bildet. Die Definition von Hartogs verwendet keine Repräsentantenauswahl und ist ausreichend für viele Anwendungen der Ordinalzahlen im Analysis und in der Topolgie. Äquivalenzklassen von ordnungsisomorphen Mengen werden auch in den Mengenlehren mit stufentheoretischem Aufbau gebildet (Russel, Quine,^[12] Scott,^[13] Klaua u.a.). Bei Klaua z.B. sind alle Mengen Elemente von Allmengen. Die Ordinalzahl der wohlegeordneten Menge A ist dann die Äquivalenzklasse aller zu A ordnungsisomorphen Elemente der kleinsten Allmenge, die zu A ordnungisomorphe Mengen enthält.^[14]

Wie schon erwähnt kann die Wohlordnungseigenschaft der Ordinalzahlen in ZF aus dem Fundierungsaxioms abgeleitet werden. Allerdings ist es in der mengentheoretischen Literatur üblig Definitionen möglichst unabhängig von den Axiomen zu formulieren. Wir geben hier sieben weitere Definitionen der Ordinalzahlen, die alle in ZF ohne das Fundierungsaxiom zu einander und in ZF mit dem Fundierungsaxiom auch zu der oben formulierten Definition äquivalent sind.^[15] Vorher zwei Begriffe: Eine Menge X heißt transitiv, wenn y X z y (z X). Eine Menge X ist genau dann transitiv, wenn y X (y X). Eine Menge X heißt fundiert, wenn es ein y X gibt, so dass y und X disjunkt sind.

D e f i n i t i o n I. (Zermelo, 1915): Die Menge X heißt Ordinalzahl, wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind:

• X ist die leere Menge oder die leere Menge ist Element von X
• Für jedes y X ist y ⁺ = y {y} entweder Element von X oder y ⁺ = X.
• Für jede Teilmenge Y von X ist die Vereinigung der Elemente von Y entweder die Menge X oder ein Element von X.

D e f i n i t i o n II. (von Neumann, 1923): Eine wohlgeordnete Menge X heißt Ordinalzahl, wenn y X (y = {z | z X; z < y}) .^[16]

D e f i n i t i o n III. (Gödel, 1937): Die transitive Menge X, deren Elemente transitiv sind, heißt Ordinalzahl, wenn jede nicht-leere Teilmenge von X fundiert ist.

D e f i n i t i o n IV. (Robinson, 1937): Die transitive Menge X, deren Elemente transitiv sind, heißt Ordinalzahl, wenn für jede zwei Elemente y und z von X entweder y z oder z y gilt.

D e f i n i t i o n V. (Bernays, 1941): Die transitive Menge X heißt Ordinalzahl, wenn alle transitive echte Teilmengen von X Elemente von X sind.

D e f i n i t i o n VI. Eine irreflexiv geordnete Menge (X, ) heißt Ordinalzahl, wenn sie transitiv und wohlgeordnet ist.

D e f i n i t i o n VII. Ordinalzahlen sind die Bilder der Funktionen E(a) = {E(x) | x < a; x A} für wohlgeordnete Mengen A.

Die letzte Definition zeichnet sich durch besondere Eleganz aus, da sie auch gleich zeigt wie man die Ordinalzahl einer wohlgeordneten Menge bestimmen kann. Dass die Funktionen E(a) wohldefiniert sind, folgt aus dem Satz über die transfinite Rekursion und dass ihre Bilder - genannt Epsilonbilder - Mengen sind, aus dem Ersetzungsaxiom.

Dieser Abschnitt wird momentan gründlich überarbeitet und kann deshalb auch Flüchtigkeitsfehler und Ungenauigkeiten enthalten.

Eigenschaften

Nach der von Neumannschen Definition sind die Elemente einer Ordinalzahl selbst Ordinalzahlen. Hat man zwei Ordinalzahlen S und T, dann ist S ein Element von T genau dann, wenn S eine Teilmenge von T ist, und es gilt, dass entweder S ein Element von T, oder T ein Element von S, oder S = T ist. Damit sind Ordinalzahlen total geordnet bezüglich der Elementbeziehung. Es gilt sogar noch mehr:

Jede Menge von Ordinalzahlen ist wohlgeordnet.^[17]

Dies verallgemeinert das Wohlordnungsprinzip, dass jede Menge von natürlichen Zahlen wohlgeordnet ist, und erlaubt die freie Anwendung der transfiniten Induktion und der Beweismethode des „unendlichen Abstiegs“ auf Ordinalzahlen. Jede Ordinalzahl S hat genau die Ordinalzahlen als Elemente, die kleiner sind als S. Die mengentheoretische Struktur einer Ordinalzahl ist also vollständig durch kleinere Ordinalzahlen beschrieben. Man benutzt diese Tatsache, um andere Aussagen zu beweisen, wie z. B., dass jede nichtleere Menge S von Ordinalzahlen ein Supremum: sup S hat, nämlich die Vereinigung aller Elemente von S, welche selbst eine Ordinalzahl ist. Eine andere Folgerung ist der Satz, dass die Klasse aller Ordinalzahlen On keine Menge, sondern eine echte Klasse ist. Der Beweis basiert auf dem Regularitätsaxiom, dass keine Menge sich selbst als Element enthält. Wäre On eine Menge, dann wäre sie selbst eine Ordinalzahl, müsste sich also selbst enthalten. (Siehe auch das Burali-Forti-Paradoxon.) Aus dem Satz, dass On eine echte Klasse ist, folgt, dass für jede Menge aus Ordinalzahlen S Ordinalzahlen existieren, die größer sind als jedes Element von S. ^[18] Unter den Ordinalzahlen größer als jedes Element einer Menge aus Orinalzahlen gibt es immer eine kleinste.^[19] Die kleinste Ordinalzahl s(ξ) größer als alle Elemente der Ordinalzahl ξ heißt Nachfolger von ξ. Falls ξ ein größtes Element hat, dann wird dieses Vorgänger von ξ genannt. Nicht jede Ordinalzahl hat einen Vorgänger (wie z.B. ω). Man nennt eine Ordinalzahl, die einen Vorgänger hat (wie z.B. die 1), isoliert (oder Nachfolgerzahl). Eine Ordinalzahl ξ ist genau dann isoliert, wenn ξ = s(sup ξ). Eine nichleere Ordinalzahl ohne Vorgänger wird Limeszahl (oder Grenzzahl oder Zahl zweiter Art) genannt. Eine nichtleere Ordinalzahl ξ ist genau dann Limeszahl, wenn ξ = sup ξ. Der Vorgänger von s(ξ) ist für jede Ordinalzahl ξ die Ordinalzahl ξ selbst. Die Limeszahlen bilden eine echte Klasse, die mit Lim bezeichnet wird.

Rechenoperationen

Hauptartikel: Transfinite Arithmetik

Die arithmetischen Operationen mit Ordinalzahlen werden als Verallgemeinerung der aus der elementaren Arihmetik bekannten Rechenarten eingeführt. Unter Summe zweier Ordinalzahlen η und ξ versteht man die Ordinalzahl einer wohlgeordneten Menge, die aus den Elementen der beiden Mengen besteht, wenn alle Elemente von η in der Wohlordnung vor den Elementen von ξ stehen. Dies entspricht genau die Vorstellung, die uns aus den endlichen Zahlen vertraut ist, dass beim Konkatenieren von zwei endlichen Folgen der Länge n und m eine endliche Folge der Länge m + n entsteht. Da man bei den transfiniten Ordinalzahlen zwischen isolierten und Limeszahlen unterscheiden muss, wird bei der Einführung der arithmetischen Operationen darauf geachtet, dass diese stetige Fortsetzungen der finiten arithmetischen Operationen sind. Die Stetigkeit der Rechenoperationen bei den Orinalzahlen sieht man am deutlichsten in der sogenannten funktionalen Einführung der transfiniten Arithmetik. Die funktionale Einführung der Ordinalzahlarithmetik wird mittels transfiniter Rekursion begründet. Nicht alle aus der finiten Arithmetik bekannte Eigenschaften der Rechenoperationen sind in das Unendliche übertragbar. So ist die Addition im Allgemeinen nicht kommutativ. Mit Hilfe der Cantorschen Polynomdarstellung, die eine Art transfinites Stellenwertsystem ist, lassen sich alternative Rechenoperationen einführen: die sogennanten natürlichen Operationen zwischen Ordinalzahlen, so dass keine der aus den finiten Arithmetik bekannten Regeln vermisst werden muss.

Topologische Eigenschaften

Jede Ordinalzahl lässt sich aufgrund ihrer totalen Ordnung durch die Ordnungstopologie zu einem topologischen Raum machen. In dieser Topologie konvergiert die Folge (0, 1, 2, ...) gegen ω, und die Folge

(ω, ω^ω, ω^ωω,...)

konvergiert gegen ε₀. Ordinalzahlen ohne Vorgänger können stets als Grenzwert eines Netzes von kleineren Ordinalzahlen dargestellt werden. Im allgemeinen sind sie jedoch nicht Grenzwert einer Folge kleinerer Ordinalzahlen, wie z. B. die kleinste überabzählbare Ordinalzahl ω₁.

Die topologischen Räume ω₁ und ω₁+1 werden in Büchern oft als Beispiel einer nicht abzählbaren Topologie genannt. Zum Beispiel gilt im Raum ω₁+1, dass das Element ω₁ im Abschluss der Teilmenge ω₁ liegt, aber keine Folge in ω₁ gegen das Element ω₁ konvergiert. Der Raum ω₁ erfüllt das erste, aber nicht das zweite Abzählbarkeitsaxiom und ω₁+1 keines von beiden.

Literatur

Bemerkungen