关于紧致性定理在无限全序集非有限公理化证明中应用的疑问
我最近在梳理老师给出的一道逻辑题的解答,核心问题是证明所有无限全序集构成的集合不是有限可公理化的,但其中用到紧致性定理的一步推导我始终没弄明白,想请教大家。
问题与老师的证明思路
要证的结论:所有无限全序集 $A$ 构成的集合不是有限可公理化的。
老师的证明步骤如下:
- 首先定义句子集 $\Sigma$,用来表达“集合是全序集”这一性质;
- 接着定义句子集 $\Gamma = {\gamma_1, \gamma_2, ...}$,其中每个 $\gamma_n$ 的含义是“该集合至少有 $n$ 个元素”;
- 由此,所有无限全序集的集合可以表示为 $\text{Mod}(\Sigma \cup \Gamma)$,也就是满足 $\Sigma \cup \Gamma$ 中所有句子的模型类。
随后老师做了反证假设:假设这个集合是有限可公理化的,即存在单个句子 $\psi$,使得 $\text{Mod}(\Sigma \cup \Gamma) = \text{Mod}(\psi)$。
从这个假设可以推出:$\Sigma \cup \Gamma \models \psi$(意思是所有满足 $\Sigma \cup \Gamma$ 的模型都满足 $\psi$)。
关键的一步来了——老师说根据紧致性定理,存在有限子集 $\Gamma_0 \subset \Gamma$,使得 $\Sigma \cup \Gamma_0 \models \psi$。
我的困惑
我们课堂上学到的紧致性定理有两个核心表述:
- 设 $\Sigma \cup {\phi}$ 是一阶语言 $\mathcal{L}$ 中的公式集,则 $\Sigma \models \phi$ 当且仅当存在有限子集 $\Sigma_0 \subseteq \Sigma$,使得 $\Sigma_0 \models \phi$;
- 一个公式集 $\Sigma$ 有模型当且仅当它的每个有限子集都有模型。
我猜测老师用的是第一个表述,但我想不通的是:第一个表述只保证存在某个有限子集 $\Sigma_0 \subseteq \Sigma \cup \Gamma$ 使得 $\Sigma_0 \models \psi$,但为什么这个有限子集一定是完整保留 $\Sigma$,只取 $\Gamma$ 的一个有限子集 $\Gamma_0$,而不是从 $\Sigma$ 里也去掉一部分,变成 $\Sigma_0 \cup \Gamma_0$(其中 $\Sigma_0 \subset \Sigma$ 有限,$\Gamma_0 \subset \Gamma$ 有限)呢?我们没法控制从 $\Sigma \cup \Gamma$ 中删除哪些公式,老师是怎么直接得出可以保留整个 $\Sigma$ 的结论的?
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Eduardo Magalhães

