数理逻辑

(证明论、递归论、模型论和公理集合论)

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1930年以后，数学逻辑开始成为一个专门学科，得到了蓬勃发展。哥德尔的两个定理证明之后，希尔伯特的有限主义纲领行不通，证明论出现新的情况，主要有两方面：通过放宽有限主义的限制来证明算术无矛盾性以及把证明形式化、标准化，这些主要是在三十年代完成。同时哥德尔引进递归函数，发展成递归论的新分支，开始研究判定问题。而哥德尔本人转向公理集合论的研究，从此出现公理集合论的黄金时代。五十年代模型论应运而生，它与数学有着密切联系，并逐步产生积极的作用。
　
1、证明论
证明论又称元数学，它研究数学的最基本活动—证明的合理性问题。研究这类数学基础的问题原来一直是哲学家的事，后来才成为数学家的事。这个转变发生在1893年弗雷格发表《算术基础规则》之时，后来希尔伯特和他的许多合作者使这种思想发展成一门学科—元数学，目的是用数学方法来研究整个数学理论。
要使数学理论成为一个合适的研究对象，就必须使之形式化。自从希尔伯特和阿克曼所著《理论逻辑纲要》第一版在1928年出版以来，在实践中用得最多的是具有等式的一阶谓词演算(以及高阶谓词演算)。许多理论可以用一阶理论来表述，它比较简单方便，具有多种形式。
从基础的观点来看，有两个理论最为重要，因而研究也最多。这两个理论就是形式化的皮亚诺算术理论与形式化的集合论。因为大多数观代数学理论都可以在这两个理论范围内发展，所以这两个理论的合理性如果得到证实，也就是向数学的可靠性迈进了一大步。“希尔伯特计划”无非就是要找到一个有限的证明步骤来证明算术的无矛盾性。
这里“有限”的意义是由法国年轻数学家厄布朗明确提出的，他认为下列条件必须满足：必须只讨论确定的有限数目的对象及函数；这些对象及函数要能确定它们的真值产生协调一致的计算结果；一个对象如不指出如何构造它就不能肯定其存在；必须永远不考虑一个无穷集体中所有对象的集合；一个定理对于一组对象都成立的意思是，对于每个特殊的对象，可以重复所讲的普遍论证，而这普遍论证只能看成是结果特殊论证的原型。
数学理论的无矛盾性有了这种有限的、可构造性的论证之后，任何人都可以放心了。希尔伯特计划提出后，几组数学家分别为实现它而努力：一组是希尔伯特及贝耐斯，以及阿克曼关于把数学理论形式化的研究，一组是冯·诺依曼关于算术无矛盾性的初步研究及哥德尔的不完全性定理以及甘岑的最后解决；还有一组是厄布朗及甘岑关于证明的标准形式等的研究。
厄布朗是法国天才的青年数学家，1931年8月在登阿尔卑斯山时遇难，年仅23岁。他对代数数论尤其是数理逻辑进行过重要的研究工作，1929年他在博士论文《证明论研究》中提出他的基本定理。从某种意义上来讲，这个定理是想把谓词演算归结为命题演算。由于前一理论是不可判定的，而后一理论是可判定的，因此这种归结不可能是完全的。
但是，由于厄布朗局限于希尔伯特有限主义立场，他应用的证明方法比较绕弯子。而且在1963年发现，他的证明中有漏洞，他的错误很快就得到了弥补。厄布朗定理可以便我们在证明中摆脱三段论法。他的许多结果，后来也为甘岑独立地得出。
甘岑的自然演绎系统是把数学中的证明加以形式化的结果。他由此得出所谓“主定理”，即任何纯粹逻辑的证明，都可以表示成为某种正规形式，虽然正规形式不一定是唯一的。为了证明这个主定理，他又引进了所谓的式列(Sequenz)演算。
在普通的数学证明中，最常用则是三段论法，即如果A→B，且若A成立，则B成立。其实这就是甘岑推论图中的“断”。但是甘岑的主定理就是从任何证明图中可以消除掉所有的“断”。也就是：如果在一个证明中用到三段论法，那么定理表明，它也可以化成为不用三段论法的证明，也得到同样的结论。
这个定理乍一看来似乎不可理解，其实正如甘岑所说，一个证明图中有三段论法实际上是“绕了弯子”，而不用三段论法是走直路。这种没有三段论法的证明图称为“正规形式”，利用这没有三段论法的证明图称为“正规形式”。利用这个主定理很容易得出许多重要结果，其中之一就是极为简单地证明“一阶谓词演算是无矛盾的”，而且能够推出许多无矛盾性的结果。后来还可以用来证明哥德尔的完全性及不完全性定理，当然，最重要的事还是要证明算术的无矛盾性。
希尔伯特引进证明论的目标是证明整个数学的无矛盾性，其中最重要的是集合论的无矛盾性(至少ZF系统无矛盾)、数学分析的无矛盾性，最基本的当然是算术的无矛盾性。哥德尔的不完全性定理说明，用有限的办法这个目标是达不到的。由于哥德尔不完全定理的冲击，希尔伯特计划需要修改。
有限主义行不通就要用非有限的超穷步骤。1935年，甘岑用超穷归纳法证明自然数算术形式系统的无矛盾性。其后几年，他和其他人又给出了其他的证明。这种放宽了的希尔伯特计划在第二次世界大战之后发展成为证明论的分支，这些证明也推广到分支类型论及其他理论。
甘岑在第二次大战行将结束时去世，他的结果代表当时证明论的最高成就，希尔伯特和贝纳斯的《数学基础》第二卷中总结了他的工作，但是证明论远远未能完成它的最初目标。战后随着模型论和递归论乃至六十年代以来公理集合论的发展，证明论一直进展不大。
五十年代中，日本数学家竹内外史等人开始对于实数理论(或数学分析)的无矛盾性进行探索。因为实数一开始就同有理数的无穷集和有关，描述它的语言用一阶谓词演算就不够了，所以第一步就要先把甘岑的工作推广到高阶谓词演算中去。
1967年，日本年轻数学家高桥元男用非构造的方法证明，单纯类型论中也可以消去三段论法。由此可以推出数学分析子系统的无矛盾性。但是，由于证明不是构造的，数学分析的无矛盾性至今仍然有待解决。
厄布朗及甘岑的结果虽然不可能完成希尔伯特计划的最初目标，但是由于其有限性、可构造性的特点，现在已广泛地应用于机械化证明，成为这门学科的理论基础。
证明论的方法对于数理逻辑本身有很大的推动，特别是得出新的不可判定命题。最近，英国年轻数学家巴黎斯等人有了一项惊人的发现。他们发现了一个在皮亚诺算术中既不能证明也不能否证的纯粹组合问题，这不仅给哥德尔不完全性定理一个具体的实例，而且使人怀疑要解决许多至今尚未解决的数论难题可能都是白费力气。这无疑开辟了证明论一个完全新的方向。
　
2、递归论
递归论讨论的是从形式上刻划一个运算或一个进程的“能行”性这种直观的观念，也就是从原则上讲，它们能机械地进行而产生一个确定的结果。“能行”的这个概念含有可具体实现的、有效的、有实效的等等意思。法国数学家保莱尔首先在1898年他的函数论教科书中引进了这个词，他把数学的对象局限于能行的对象，这种主张实际上就是“法国经验主义”。因为函数论主要讨论集合、函数、积分等等，从这种观点产生出描述集合论、拜尔函数等概念。
递归论中所讨论的函数是比较简单的。它讨论有效可计算的函数，也就是递归函数。递归函数在历史上曾从不同角度提出来，后来证明它们都是等价的。
1931年秋天，丘奇在普林斯顿开了一门逻辑课，克林和罗塞尔当时作为学生记了笔记。丘奇在讲课中引进了他的系统，并且在其中定义自然数。这就很自然引起一个问题，在丘奇系统中如何发展一个自然数理论。于是克林开始进行研究，结果克林和丘奇得到一类可计算的函数，他们称之为A可定义函数。
1934年春天，哥德尔在普林斯顿做了一系列讲演(克林和罗塞尔记了笔记)。在讲演中，哥德尔引进了另外一套可以精确定义的可计算函数类，他称为一般递归函数。据他讲，他是受了厄布朗的启发得到的。
这时自然出现了一个问题。一般递归函数类是否包括所有能行可计算的函数，它是否与克林与丘奇研究的 A可定义函数类重合。1934年春末，丘奇和哥德尔讨论一般递归函数问题，结果丘奇明确提出他的“论点”，所有直觉上可看成能行可计算函数都是λ可定义函数，于是丘奇花了好几个月反复思考。当时克林表示怀疑，他认为这论点不太可能是对的，他想如果从A可定义函数类用对角化方法可以得出另外一个能行可计算函数，那么它就不是A可定义的。但他又想到这事行不通。不久之后，丘奇和克林在1936年分别发表论文，证明A可定义函数类正好就是一般递归函数类。有了这个有力的证据，丘奇于是公开发表他的“论点”。
也是在1936年，英国年轻数学家图林发表了另外一篇重要文章，这标志着所谓图林机的产生。在这篇文章中，图林也定义了一类可计算函数，也就是用图林机可以计算的函数。同时，他也提出他的一个论点：“能行可计算的函数”与“用图林机可计算的函数”是一回事。1937年图林证明了用图林机可计算的函数类与可定义函数类是一致的，当然，也就和一般递归函数类相重合。这样一来，丘奇的论点与图林的论点就是一回事。当时许多人对于丘奇的论点表示怀疑，由于图林的思想表述得如此清楚，从而消除了许多人的疑虑，哥德尔就是其中一位。从这时起大家对于丘奇—图林论点一般都抱支持的态度了。
与图林同时，美国数学家波斯特也发表了一篇文章，类似于图林的可计算函数，他的文章过于简短，一直到1943年波斯特才发表了第四个表述，结果证明他的与别人的也都一样。
递归的概念并不难理解，它就是由前面的结果可以递推得到后面的结果。哥德尔等人引进的实际上是一般递归函数，一股递归函数都可以由原始递归函数算出来。
另一个复杂一些的概念称为递归集合S，它的定义是存在一种能行的办法来判断任何正整数n是否属于S。正数数集合是递归的当且仅当它与它在N中的补集都是递归可枚举的。任何无穷递归可枚举集都包含一个无穷递归集。但是，存在正整数的递归可枚举集而不是递归集。
于是波斯特提出问题：是否存在两个递归可按举但是非递归的集合，使得第一个集合相对于第二个是递归的，但第二个相对于第一个却不是递归的。一直到十二年后的1956年，苏联人穆其尼克及美国人弗里德伯格才独立地肯定地解决了这个问题。
苏联数学家马尔科夫在1947年发表《算法论》，首先明确提出算法的概念。但是它同以前定义的递归函数及可计算函数的计算过程都是等价的。这几个定义表面上很不相同，并有着十分不同的逻辑出发点，却全都证明是等价的。这件事看来决非巧合。它表明：所有这些定义都是同一个概念，而且这个概念是自然的、基本的、有用的。这就是“算法”概念的精确的数学定义。大家都接受了这个定义之后，判定问题从我们平时直观的概念也上升为精确的数学概念，判定问题也成为一门数理逻辑的重要分支了。从这时起，判定问题有突飞猛进的发展。
判定问题有了精确的数学表述之后，立即在数学基础乃至整个数学中产生了巨大的影响。因为这时一些不可判定命题的出现，标志着人们在数学历史上第一次认识到：有一些问题是不可能找到算法解的。在过去，人们一直模模糊糊地觉得，任何一个精确表述的数学问题总可以通过有限步骤来判定它是对还是错，是有解还是没有解。找到不可判定问题再一次说明用有限过程对付无穷的局限性，它从另外一个角度反映了数学的内在固有矛盾。
怎样得到这些结果的呢？丘奇的论点发表之后，不难看出存在不可计算的函数，也就是非一般递归的函数。因为所有可能不同的算法共有可数无穷多(粗浅来讲，算法都是用有限多个字来描述的)，可是所有数论函数的集合却是不可数的。
不过，头一个明显的不可判定的结果是1936年丘奇得到的。他首先得到与λ可定义性有关的不可判定结果。然后，他把这个结果应用到形式系统的判定问题上，特别他证明，形式化的一阶数论N是不可判定的。也是在1936年，丘奇证明纯粹的谓词演算也是不可判定的。当时大家的反应是：这种不完全性的范围到底有多广？
甚至于象丘奇这样的数学家，也想找到一条出路能避开哥德尔的结果。比如说，可以采用伺哥德尔所用的系统完全不同的其他的特殊系统。一旦算法的精确定义和丘奇论点出现之后，大家就认识到躲不过哥德尔不完全性定理的影响，可计算性和不完全性这两个概念是紧密联系在一起的。
实际上克林在1936年就证明了(作为丘奇论点的应用)：甚至在能够能行地认出公理和证明的形式系统中，哥德尔的定理仍然成立。消去量词方法对许多理论行不通。一般的判定问题是试图找出一个能行的步骤，通过这个步骤可以决定什么东西具有某种指定的元数学特征。
在纯粹逻辑演算的元理论中，有最明显的一类判定问题：对于给定的演算和给定类的公式，求出一个步骤，能够在有限多步内判定这类的任何特殊公式是否可以形式地推导出来。有些情形、问题已经得到肯定的解决，在另外一些情形，答案是否定的，可以证明不存在这样一个步骤。这种否定的证明，特别对于数学理论，很大程度上依赖于递归论。
最早明确提出的数学判定问题是希尔伯特第十问题。他在1900年国际数学家大会上提出了著名的二十三个问题，其中第十个问题是：给定一个有任意多未知数的、系数为有理整数的丢番图方程，设计一个步骤，通过它可以经有限步运算判定该方程是否有有理整数解。这个到1970年才被否定解决的问题不仅解决了一个重大问题，而且解决问题过程中所得到的工具和结果对数理逻辑和数学发展有着极大影响，比如表示素数的多项式，尤其与整个数理逻辑有关的是得出了一个更确切的哥德尔不完全性定理。
现在我们来看希尔伯特第十问题，为了清楚起见，我们考虑多项式方程，看看一般的多项式丢番图方程的次数和未定元的数目是否可以降低。
1938年斯科兰姆证明，任何丢番图方程的次数可约化成次数小于等于4的方程；1974年马蒂亚谢维奇和罗滨逊证明未定元的数目可约化成小于等于3。对于齐次方程，阿德勒在1971年证明，任何齐次方程可以能行地约化为二次齐次方程组，从而等价于一个四次齐次方程。对于一次方程早就有具体方法解丢番图方程了。对于任意多未定元的二次方程，1972年西格尔也找到一个算法。四次方程不能判定，三次方程尚不知道。
解决丢番图方程解是否存在的判定问题的方法是引进丢番图集。我们把丢番图方程的变元分成两有一组解。每个丢番图集合是递归可枚举集。1970年，苏联大学生马蒂亚谢维奇证明了每个递归可枚举集也是丢番图集合。这样一来，由于存在不可判定的递归可枚举集，所以存在一些特殊的丢番图方程，使得对是否有解的判定问题不可解。当然对一般丢番图方程的判定问题就更不可解了。
另一个判定问题是半群和群论中字的问题，半解问题是挪威数学家图埃在1907年首先提出来的。问题是对于一个半群，如果给定它的有限多生成元和有限多关系，那么能否找到一个方法来判定任何一个特殊的字是否等于单位元素。1947年，波斯特否定地解决了这个问题。
群论中字的问题更为重要，它是在1911年由德恩首先研究的，一直到1955年才由苏联数学家诺维科夫否定解决。这些结果给数学家指明了新的方向：不要妄图去解决一大类问题。不过对于更窄的一类的对象比如一类特殊的群，群的字问题是可解的。
　
3、模型论
模型论是数理逻辑的一个分支，讨论形式语言与其解释或者模型之间的关系。如语言是一阶谓词逻辑，则这种模型论就称为“古典模型论”。最简单的模型是数学中的一些结构，例如 5阶循环群，有理数域，以及所有按照包含关系历形成的偏序结构由整数构成的集合等等。在数学里我们直接研究这类模型，而不管形式语言。这个理论可以说是泛代数(当然也包含通常代数中的群论、环论、域论等等)，它们研究同态、同构、子结构、直积等等。可是关于这些模型的性质，都要表示成为语言。反过来，一个语句可以真也可以假，看你是说哪一个模型。
这样看来，模型论和代数学是有区别的，有人把模型论看成是逻辑加上泛代数，这也是十分形象的。模型论一定要明显地涉及语句，并且以语句为出发点，这是它同一般代数学有区别的地方。另外模型论的语言是形式语言，它与模型的关系是语法和语义的关系。对于形式语言，我们只是按照一定的规则(文法规则)去造出一些语句，至于这些语句含义如何、是真是假，就不是语法所能管得了的。
语法只考虑形式的结构，比如构成语句的符号是哪些，符号之间的关系如何(谁在谁的前面而不能在后面)等等，而语义则提供解释或者意义，只有意义才能确认语句的真假(除了重言式或恒真语句或同语反复之外)。因此可以说，模型论是研究形式语言的语法和语义之间关系的学科。
在数学中，我们对模型还不是很陌生，在非欧几何中就是靠引进模型才论证了非欧几何公理系统是不矛盾的。但一直到195年左右，模型论才正式成为一门新学科。主要标志就是1949年亨肯发表的完全性定理的新证明，以及1950年国际数学家大会上塔尔斯基与罗滨逊的的报告，以及1951年罗滨逊《代数的元数学》的发表。
自此之后，模型论大致可分为两条路线，一条是美国西海岸的斯科兰姆一塔尔斯基路线，他们从四十年代起就由数论、分析、集合论的问题所推动，强调研究一阶逻辑所有公式的集合模型。另一条是美国东海岸的罗滨逊路线，他们的问题由抽象代表的问题所推动，它强调无量词公式集与存在公式集。关于两块量词的理论很多，它们有许多应用。罗滨逊主要用于域论，前苏联马力茨夫等人主要用于群论。
属于纯粹模型论主题的最早的定理有两个，一个是罗文汉姆的定理。他在1915年证明每一组有限多公理如果有模型的话，则它也有一个可数模型。把这个定理推广到有可数个公理的情况。另一个定理是紧性定理。
三十年代，哥德尔对可数语言证明紧性定理，1936年苏联马力茨夫推广到不可数语言。紧性定理在代数学方面有许多应用。
这两个定理都肯定某种模型的存在性，特别是罗文汉姆—斯科兰姆定理及紧性定理指出有想不到的特别大的模型存在。最明显的就是自然数集合的皮亚诺公理(其中归纳公理加以改变)，不仅有通常自然集N为其标准模型(即包括可数多个元素)，还有包括不可数多个元素的模型，这就是所谓非标准算术模型。第一个非标准算术模型是由斯科兰姆在1934年首先造出的。这两个定理的证明都依赖于造模型的方法。
模型论中常用的构造模型方法与工具有：初等链方法、图式、紧性定理、下行罗文海姆—斯科兰姆定理、省略类型定理、力迫法、超积、齐性集合等8种，这些方法都是相当专门的。
图式方法是亨金及罗滨逊首创的，它有许多用处，不仅能证明紧性定理、罗文海姆—斯科兰姆定理、哥德尔完全性定理等等，而且可以得出许多新定理。
初等链是塔尔斯基及沃特在1957年提出的。超积是最常用的构造模型的方法，超积和超幂的用处表现在同构定理上。超幂的另一个很大的用处是构造非标准分析的模型。
对于数学理论最重要的事是公理化。在模型论中，公理数目可以有限多，称为有限可公理化的理论。这类理论有；群、交换群、环、整域、域、有序域、全序集、格、布尔代数、贝纳斯—哥德尔集合论等等。许多重要理论是不能有限公理化的，其中一部分是递归可公理化的。如可分群、无挠群、特征0的域、代数封闭域、实封闭域、有限域、尤其重要的是皮亚诺算术和ZF集合论，而有限群论甚至连递归可公理化都不行。
一个理论是递归可公理化的充分必要条件是：它的所有推论集合是递归可枚举的。通常它不一定是递归的，如果是递归的，则称为可判定的。可以证明，每个完全、递归可公理化理论是可判定的。因此利用模型论的有力工具可以得出判定理论的一些结果，如早在1948年塔尔斯基等人证明，实闭域理论是完全的，因此是可判定的。
早在十九世纪，数学家利用造模型的方法来肯定非欧几何的真实性，他们造过许多模型，但这些模型本质上没有区别，也就是“同构”。在二十世纪初，数学家一般认为，一个理论的模型都是同构的，如自然数理论就是皮亚诺公理所刻划的一种。
但是这种想法很快就由于自然数非标准模型的存在而被打破，所以人们又在模型论当中引进重要的概念—范畴性：一个理论或一组公式如果其所有模型均同构，它就称为范畴的。实际上，这对于形式系统(或公理系统)是仅次于协调性(无矛盾性)、完全性、独立性之后的第四个重要要求。但是这个要求实在太强了，实际上，只要一个理论有一个无穷模型，那么它就不是范畴的，所以我们把范畴性的要求降低。
模型论给数学带来许多新结果，我们大致可以分成三大部分：在代数方面的应用主要是在群论和域论方面；在分析方面的应用主要是非标准分析；在拓朴学、代数几何学方面的应用主要是拓扑斯理论。
模型论在代数学中最早的应用是量词的消去，早在三十年代，就由此得到了整数加法群的判定步骤，塔尔斯基得到实数的可定义集和实数域的判定步骤。
1965年以后，数理逻辑的发展逐步影响到数学本身，因而重新引起数学家们的注意，特别是集合论与模型论的结果不断冲击数学本身。模型论在解决代数问题方面显示巨大威力，特别是艾柯斯及柯辰解决了著名的阿廷猜想，这个问题曾使代数学家为难了几十年。
非标准分析是罗滨逊在1960年创造的。1961年1月，在美国数学大会上，罗滨逊宣布了他的非标准分析，其实这就是逻辑学家所谓的实数的非标准模型。在这篇报告中，他总结了新方法的所有重要方面，因此无可争辩地成为这个新领域的独一无二的创造者。他指出，实数系统是全序域，具有阿基米德性质，也就是任何一个正实数经过有限次自己加自己之后可以超过任何一个实数。但是非标准实数一般并不满足这个条件，比如说一个无穷小量的一千倍，一万倍、一亿倍甚至更多，也大不过 1，这个性质称为非阿基米德性质。
最近，非标准分析在分析、微分几何学、代数几何学、拓扑学有一系列的应用，使数学家对非标准分析也不得不另眼相看了，特别是非标准拓扑和非标推测度论近来更是有重要的突破。
非标难测度论已经得出许多新的“标准”结果，如关于测度的扩张、位势理论、布朗运动理论、随机微分方程、最优控制理论，甚至运用到数理经济学及高分子物理化学当中。其中关键来自1975年洛布的工作。他从非标准测度空间能造出丰富的标准测度空间，使得非标准分析真正能对标准数学作出自己的贡献。
拓扑斯是统—现代数学的最新基础，它反映了数理逻辑与范演论的结合。范畴论大约在六十年代初由同调代数学脱胎而出，而同调代数则在四十年代末到六十年代初由代数拓扑学发展而来。代数拓扑学则是用群、环、域、模等代数结构来刻化几何图形的拓扑结构。同调代数学则用代数结构来刻化代数结构，比如说一组群与另一组的对应关系。把这个组发展到集合或其它任何结构，研究范踌与范踌之间的关系就是范畴论。
我们可以考虑几何的范踌和范踌的范踌。1963年出现了层的范畴，这就是拓扑斯。托普斯使范畴方法迅速推广到其他数学分支中去。1970年，劳威尔等人引进一种特殊的范畴—初等拓扑斯。几年之后，证明了一个重要结果，一个初等拓扑斯正好是高阶直觉主义集合论的模型。因此，初等拓扑斯就象集合一样成为数学的基础，而且更接近数学的内容。
　
4、公理集合论
1930年以后，迎来了公理集合论的黄金时代。对于数学家们来说，策梅罗的公理系统ZF大致够用。他们仍不太关心集合论的细微未节，以及一层一层的无穷大，这些在他们的数学中难得碰到。不过除了九条可靠的ZF公理之外，他们也往往需要选择公理(AC)，有时也要考虑连续统假设(CH)。他们希望这两个公理是真的，这样似乎就可以天下太平了。谁知事情越来越麻烦，现在居然找出一大堆玄妙的公理和假设，它们能推出一些我们想要的结果来，同时又出现许多荒唐矛盾的现象。这些现象十分有趣，但是从外行看来实在乱七八糟。这里还是简单归纳介绍一下:
　
4.1 选择公理
选择公理是现代数学中最常用的假设，过去许多人曾不自觉地使用。对这个问题引起注意，是因为康托尔在1883年提出任意集合是否都可良序化的问题。希尔伯特也曾把这个问题引入其23问题头一问题的后半部分。1904年，策梅罗提出选择公理，并通过选择公理证明了良序定理。这个公理有极多的等价形式，其中有在代数中常用的造恩引理。这个应用极广、看来正确的选择公理，却可以证明出一些看来荒唐的结果。如1914年的豪斯道夫的分球面定理和U23年的巴拿赫—塔尔斯基悖论。
可是选择公理的用途太大，不能忽视，许多学科的基本定理少不了它：泛函分析中的哈恩—巴拿赫定理(关于巴拿赫空间上的线性泛函的可扩张性)；拓扑学的吉洪诺夫定理(关于任意多紧空间的直积为紧)；布尔代数的斯通表示定理，每个布尔代数皆同构于集代数；自由群论的尼尔森定理，自由群的子群也是自由的。
其他还有许多定理，如果没有选择公理也不行。
　
4.2连续统假设
连续统假设的历史最久，它可以说是随着集合论一起产生的。1883年康托尔就提出了这个假设，可数无穷集的基数的后面就是连续统的基。康托尔花了毕生精力去证明，但没有成功。希尔伯特把它列入自己著名的23个问题的头一个。希尔伯特本人也曾经用了许多精力证明它，并且在192～—1926年宣布过证明的大纲，但终究未能成功。这个问题终究悬而未决。
1930年哥德尔完成了他的两大贡献以后，曾说过“现在该轮到集合论了”。他从1935年起就开始研究连续统假设及广义连续统假设。这一次他又出人意料地证明了ZF和GCH是协调一致的，不过当然要假设ZF本身也是协调的，虽然这一点一直没有得到证明。
哥德尔应用可构造性公理证明ZFC和ZFC＋GCH的相对无矛盾性，他用可构造集的类L作为ZFC的模型。1963年7月，美国年轻数学家科恩发明了影响极为重大的力迫法，并证明连续统假设的否定命题成立，这样一来CH在ZF中既不能证明也不能否定。
　
4.3可构成性公理
哥德尔证明选择公理和连续统假设协调性的方法是定义一种类型的集合，叫做可构成集。假如把集合论中集合的概念完全用可构成集合的概念来理解，那么集合论中的一些概念就会有相应的改变。但是有一些概念不会改变，这种概念我们称为绝对的，特别是可构成性这个概念是绝对的。所以“一切集合是可构成的”，这称为可构成性公理。
可构成性的概念非常重要，表现在：1、可构成性公理与ZF的其他公理是协调的；2、可构成性公理蕴涵连续统假设和选择公理；3、如果可测基数存在，则不可构成集合存在，这是斯科特1961年证明的。随后，罗巴通在他1964年的博土论文中证明可测基数的存在，蕴涵整数不可构成集合的存在性，后来他又证明可测基数的存在蕴涵只有可数无穷多个整数的可构成集合。
　
4.4 马丁公理
马丁公理是1970年由马丁等人提出来的，它与ZFC的其他公理完全不同，不象一个“真”的公理，但是由它可以推出数学上重要的结果。马丁公理是连续统假设的推论，因此可以看成是弱连续统假设。
马丁公理在数学上有一系列的重要应用。特别重要的是，舍拉在1974年证明怀特海猜想在ZFC下是不可判定的。同样，许多拓扑学问题也有类似情况。
　
4.6 大基数公理
连续统假设及广义连续统假设反映了最理想的大基数产生的方法，也就是一个接一个由幂集的基数产生出来。但是，这种理想的情况现在还无法证明，而与它不同或矛盾的情形也不可能得到否定。因此，这种种特殊大基数的存在性能得到更加特殊的结果，而且对数学本身产生了不可忽视的影响。
虽然这些大基数极为玄乎，可是由它们可以推出许多重要的数学结果。因此我们不得不重视它，而它们的存在性作为公理就是大基数公理。可以料到这些大基数公理同原来的一些公理是矛盾的。比如，可构造公理就蕴涵可测基数不存在。
大基数公理对数学问题的重要性可以由下面问题的解决看出：拓扑学中一个著名的几十年末解决的正规莫尔空间猜想归结为可测基数的存在问题，而象过去局限于ZFC系统的证明是没有希望的。
　
4.6决定性公理
决定性公理是与描述集合论密切相关的公理，它涉及到自然数列的集合是否能够通过某种方法决定。
决定性公里的基本问题是：什么集合是可决定的？经过许多人的努力，马丁在1975年证明，数学中最常用的保莱尔集合是可决定的。下一个猜想是证明所有解析集合(即二维保莱尔集合的射影集合)是可决定的，但这个猜想与哥德尔的可构成性公理相矛盾。上面讲过，可构成性公理是与ZFC是相容的，因此这个猜想无法在集合论中证明。这样一来，它本身可以成为一个新公理。
比这个公理更加激进的公理是：R的所有子集合都是决定的。这个公理太过激烈了，以致很难为“真”，因为它首先同选择公理有矛盾。不过，由这个决定性公理却能推出一系列有趣的数学事实；其中最突出的是，由它可推出所有实数集合都是勒贝格可测的。这样一来，许多数学成为没有意思的了。因此，数学家还是不太想要这个太强的公理。可是，它带来的一系列问题仍有待解决。

◆ 数学基础：逻辑主义，形式主义，直觉主义。

◆ 数理逻辑
* 逻辑演算：命题、一阶、高阶、无穷、多值-模糊、模态、构造逻辑等。
* 模型论：模态模型论，非标准模型等。
* 公理集合论：集合论公理系统，力迫方法，选择公理，连续统假设等。
* 逆归论：算法，递归函数，递归可枚举集，不可解度，广义递归论，判断问题，分层理论等。
* 证明论：数学无矛盾性，哥德尔不完备性定理，构造性数学，希尔伯计划等。

◆ 集合论：集合，映射，序数，基数，超限归纳法，悖论，数系（实数，虚数），组合数学，图论（四色问题）、算术等。

◆ 代数学
* 多项式：代数方程等。
* 线性代数：行列式，线性方程组，矩阵，自向量空间，欧几里得空间，线性变换，线性型，二次性，多重线性代数等。
* 群：有限群、多面群体、置换群、群表示论、有限单群等。
* 无限群：交换群，典型群，线性代数群，拓扑群，李群，变换群，算术群，半群等。
* 环：交换环，交换代数，结合代数，非结合代数-李代数，模，格-布尔代数等。
* 乏代数 * 范畴
* 同调代数-代数理论
* 域：代数扩张，超越扩张，伽罗瓦理论-代数基本定理，序域，赋值，代数函数域，有限域，p进数域等。

◆ 数论
* 初等数论：整除，同余，二次剩余，连分数，完全数，费马数，梅森数，伯努利数，数论函数，抽屉原理等。
* 不定方程：费马大定理等。
* 解析数论：筛法，素分布法，黎曼ζ函数，狄利克雷特征，狄利克雷L函数，堆垒数论-整数分拆，格点问题，欧拉常数等。
* 代数数论：库默尔扩张，分圆域，类域论等。
* 数的几何 * 丢番图逼近 * 一致分布 * 超越数论 * 概率数论 * 模型式论 * 二次型的算术理论 * 代数几何

◆ 几何学
* 欧几里得几何学-希尔伯特公理系统：欧里几得空间，坐标系，圆周率，多边形，多面体等。
* 解析几何学：直线，平面，二次曲线，二次曲面，二次曲线束，二次曲面束，初等几何变换，几何度量等。
* 三角学
* 综合几何学：尺规作图-希腊几何三大问题等。
* 仿射几何学：仿射变换等。
* 射影几何学：对偶原理，射影坐标，射影测度，绝对形，交比-圆点，直线几何等。
* 埃尔朗根纲领 * 百欧几里得几何学
* 微分几何学：曲线，曲面-直纹面-可展曲面-极小曲面等。
* 微分流形：张量，张量分析，外微分形式，流形上的偏微分算子，复流形，辛流形，黎曼几何学，常曲率黎曼空间-齐性空间-黎曼流形的变换群-闵科夫斯基空间，广义相对论，联络论，杨-米尔斯理论，射影微分几何学，仿射微分几何学，一般空间微分几何学，线汇论，积分几何学等。

◆ 拓扑学
* 一般拓扑学（拓扑空间，度量空间，维数，多值映射
* 代数拓扑学（同调论，同伦论-CW复形，纤维丛-复叠空间，不动点理论-闭曲面的分类-庞加莱猜想
* 微分拓扑学（流形-横截性
* 纽结理论 * 可微映射的奇点理论 * 突变理论 * 莫尔斯理论

◆ 分析学
* 微积分学
** 函数：初等函数，隐函数等。
** 极限：函数的连续性等。
** 级数
** 微分学：导数，微分，中值定理，极值等。
** 积分学：积分，原函数，积分法，广义积分，含参变量积分等。
** 多元微积分学：偏导数，全微分，方向导数，雅可比矩阵，雅可比行列式，向量，向量分析，场论等。
* 复变函数论：复变函数（解析函数，柯西积分定理，解析函数项级数，幂级数，泰勒级数，洛朗级数，留数，调和函数，最大模原理，共形映射，特殊函数，整函数，亚纯函数，解析开拓，椭圆函数，代数函数，模函数，函数值分布论，黎曼曲线，单叶函数，正规族，拟共形映射，解析函数边值问题，狄利克雷级数，解析函数边界性质，拉普拉斯变换，积分变换，泰希米勒空间，广义解析几何等）。
* 多复变函数论
* 实变函数论：勒贝格积分，有界变差函数，测度论，黎曼-斯蒂尔杰斯积分，赫尔德不等式，施瓦兹不等式，闵科夫斯基不等式，延森不等式等。
* 泛函分析：泛函数，函数空间，索伯列夫空间，拓扑线性空间，巴拿赫空间，半序线性空间，希尔伯特空间，谱论，向量值积分，线性算子，全连续算子，谱算子，线性算子扰动理论，赋范代数，广义函数，非线性算子（泛函积分，算子半群，遍历理论，不变子空间问题）等。
* 变分法：变分法，大范围变分法等。
* 函数逼近论：函数构造论，复变函数逼近（外尔斯特拉斯-斯通定理，拉格朗日插值多项式逼近，埃尔米特插值多项式逼近，三角多项式，连续模，强迫逼近，有理函数逼近，正交多项式，帕德逼近，沃外尔什逼近，联合逼近，抽象逼近，宽度，熵，线性正算子逼近，傅里叶和）等
* 傅里叶分析：三角函数，傅里叶级数，傅里叶变换-积分（傅里叶积分算子，乘子，共轭函数，卢津问题，李特尔伍德-佩利理论，正交系，极大函数，面积积分，奇异积分，算子内插，BMO空间，Hp空间，奇异积分的变换子，佩利-维纳定理，卷积，Ap权），概周期函数，群上调和分析（哈尔测度，正定函数，谱综合）等。
* 流形上的分析：霍奇理论，几何测度论，位势论等。
* 凸分析 * 非标准分析

◆ 微分方程
* 常微分方程（初等常数微分方程,线性常微分方程,常微分方程初值问题,常微分方程边值问题,常微分方程解析理论,常微分方程变换群理论,常微分方程定性理论,常微分方程运动稳定性理论,哈密顿系统,概周期微分方程,抽象空间微分方程,泛函数分方程-微分差分方程,常微分方程摄动方法,常微分方程近似解似解,动力系统-拓扑动力系统-微分动力系统
* 偏微分方程（数学物理方程,一阶偏微分方程,哈密顿-雅可比理论,偏微分方程特征理论,椭圆型偏微分方程-拉普拉斯方程,双曲型偏微分方程-波动方程,双曲守恒律的间断解,抛物型偏微分方程-热传导方程,混合型偏微分方程,孤立子,索伯列夫空间,偏微分方程的基本解,局部可解性,偏微分算子的特征值与特征函数,数学物理中的反问题,自由边界问题,分歧理论,发展方程,不适定问题
* 积分方程：弗雷德霍姆积分方程,沃尔泰拉积分方程,对称核积分方程,奇异积分方程,维纳-霍普夫方程,维纳-霍普夫方法等。

◆ 计算数学
* 数值分析：数值微分等。
* 数值逼近：插值，曲线拟合等。
* 计算几何：样条函数值积分-数论网格求积分法，有限差演算，有限差方程等。
* 常微分方程初值问题数值解法：单步法，多步法，龙格-库塔法，亚当斯法等。
* 常微分方程边值问题数值解法：打靶法等。
* 高次代数方程求根 * 超越方程数值解法
* 非线性方程组数值解法：迭代法，牛顿法等。
* 最优化
* 线性规划：单纯形方法等。
* 无约束优化方法 * 约束优化方法 * 概率统计计算
* 蒙特卡罗达：伪随机数等。
* 代数特征值问题数值解法：广义特征值问题数值解法等。
* 线性代数方程组数值解法：稀疏矩阵，广义逆矩阵，对角优势矩阵，病态矩阵，消元法-高斯消去法，松驰法，共轭梯度法等。
* 偏微分方程边值问题差分方法
* 偏微分方程初值问题差分方法：计算流体力学，特片线法，守恒格式，分步法（局部一维方法、交替方向隐式法、显式差分方法、隐式差分方法），有限差分方法，有限元方法，里茨-加廖金方法（里茨法、加廖金法），玻耳兹曼方程数值解法，算图-诺模图等。
* 数值软件：并行算法，误差，最小二乘法，外推极限法，快速傅里叶变换-快速数论变换，数值稳定性，区间分析，计算复杂性等。

◆ 概率论
* 概率分布（数学期望，方差，矩，正态分布，二项分布，泊松分布
* 随机过程（马尔可夫过程，平稳过程，鞅，独立增量过程，点过程，布朗运动，泊松过程，分支过程，随机积分，随机微分方程，随机过程的极限定理，随机过程统计，滤波，无穷粒子随机系统等。
* 概率，随机变量 * 概率论中的收敛 * 大数律 * 中心极限定理 * 条件期望

◆ 数理统计学
* 参数估计：点估计，区间估计等。
* 假设检验：列联表等。
* 线性统计模型：回归分析，方差分析等。
* 多元统计分析：相关分析等。
* 统计质量管理：控制图，抽样检验，寿命数据统计分析，概率纸等。
* 总体 * 样本 * 统计量 * 实验设计法 * 抽样调查 * 统计推断 * 大样本统计 * 统计决策理论 * 序贯分析
* 非参数统计 * 稳健统计 * 贝叶斯统计 * 时间序列分析 * 随机逼近 * 数据分析

◆ 运筹学
* 数学规则：线性规划，非线性规划，无约束优化方法，约束优化方法，几何规划，整数规划，多目标规划，动态规划-策略迭代法，不动点算法，组合最优化-网络流，投入产出分析等。
* 军事运筹学：彻斯特方程，对抗模拟，对策论，最优化等。
* 马尔可夫决策过程 * 搜索论 * 排队论 * 库存论 * 决策分析 * 可靠性数学理论 * 计算机模拟 * 统筹学 * 优选学

◆ 数学物理

◆ 控制理论

◆ 信息论

◆ 理论计算机科学

◆ 模糊性数学