公理基礎:希爾伯特、平行公設與嚴謹性

獨立性(independence)

一套建構良好的公理系統不該浪費任何東西:每條公理都必須以陳述其他公理無法證出的事來掙得它的位置。一條公理若不是其餘公理的後果,就獨立於它們——你確實需要它,因為拿掉它會讓你的某些定理無法證明。檢查獨立性,是你得知這份假設清單精簡、而非塞滿暗藏重複的方法。全數學最著名的例子就是平行公設,古人疑它多餘,歷經兩千年後卻證實它完全獨立。

你如何證明一條公理無法由其餘公理導出?你不能只是找不到證明——也許只是你不夠聰明。反之,你建一個模型,其中其餘公理全真、而所論的那條公理為假。既然真公理只能證出真結論,這樣的模型存在就顯示那條孤立公理無法由其餘公理推出;若能推出,它在其餘公理成立之處便被迫為真,與你的模型矛盾。要證平行公設獨立,你展示一個結構——例如龐加萊圓盤這個非歐模型——其中接合、順序、全等與連續都成立,卻有某點過它的平行線多於一條。這單一模型解決了一個兩千年的問題。

獨立性是優雅與誠實的品質,不是真理的品質。一條相依的公理並非錯誤,只是多餘:你可以刪掉它,再把它當定理證回來。希爾伯特費心顯示他每一組公理都獨立於其餘,為每一組建造奇特的訂製模型——只違反一條公理、其餘都遵守的幾何。手法始終相同:獨立性靠模型證明,正如一致性一樣,這正是模型成為公理化方法通用工具的原因。

平行公設獨立於歐幾里得的其他公理嗎?建造龐加萊圓盤:「點」是圓內部的點,「線」是與邊界垂直的弧。那裡所有中立公理都成立,過線外一點卻有無窮多條不相交的線——平行公設失效。模型存在,所以該公設不可能是其餘公理的定理。

一個模型,其中其餘每條公理都成立、唯獨這一條失效——這就證明了該公理獨立。

獨立性不表示一條公理在現實世界中為真或為假——只表示其餘公理不強制它的真假值。相依的公理無害但多餘;你大可把它改證為定理。

又称
independence of an axiomlogical independence非冗餘性