Пси-функции Бухгольца представляют собой иерархию одноаргументных порядковых функций.
введенный немецким математиком Вильфридом Бухгольцем в 1986 году. Эти функции представляют собой упрощенную версию
-функционируют, но, тем не менее, имеют одинаковую силу [ нужны разъяснения ] как те. Позже этот подход был расширен Ягером. [1] и Шютте . [2]
Бухгольц определил свои функции следующим образом. Определять:
- Ω ξ = ω ξ , если ξ > 0, Ω 0 = 1
Функции ψ v (α) для α — ординала, v — ординала не выше ω, определяются индукцией по α следующим образом:
- ψ v (α) — наименьший ординал, не принадлежащий C v (α)
где C v (α) — наименьшее множество такое, что
- C v (α) содержит все ординалы меньше, чем Ω v
- C v (α) замкнуто относительно порядкового сложения
- C v (α) замкнута относительно функций ψ u (при u ⩽ ω), примененных к аргументам, меньшим α.
Пределом этих обозначений является ординал Такеути–Фефермана–Бухгольца .
Позволять
— класс аддитивно главных ординалов. Бухгольц показал следующие свойства этой функции:
[3] : 197
[3] : 197
[3] : 199
[3] : 197
[3] : 199
[3] : 199
[3] : 206
Нормальная форма для 0 равна 0. Если
является ненулевым порядковым числом
тогда нормальная форма для
является
где
и
и каждый
также пишется в нормальной форме.
Основная последовательность порядкового числа
с конфинальностью
является строго возрастающей последовательностью
с длиной
и с лимитом
, где
это
-й элемент этой последовательности. Если
является порядковым номером преемника, тогда
и фундаментальная последовательность имеет только один элемент
. Если
является предельным порядковым номером, тогда
.
Для ненулевых ординалов
, записанные в нормальной форме, фундаментальные последовательности определяются следующим образом:
- Если
где
затем
и ![{\displaystyle \alpha [\eta ]=\psi _{\nu _{1}}(\beta _{1})+\cdots +\psi _{\nu _{k-1}}(\beta _ {k-1})+(\psi _{\nu _{k}}(\beta _{k})[\eta ]),}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/30c92028163ff888d2dc946d31c41878dc1d848c)
- Если
, затем
и
, - Если
, затем
и
, - Если
затем
и
(и обратите внимание:
), - Если
и
затем
и
, - Если
и
затем
и
где
.
Бухгольц работает в теории множеств Цермело – Френкеля, что означает, что каждый порядковый номер
равно множеству
. Тогда условие
означает, что установлен
включает все порядковые номера меньше
другими словами
.
Состояние
означает, что установлен
включает в себя:
- все порядковые номера из предыдущего набора
, - все ординалы, которые можно получить суммированием аддитивно главных ординалов из предыдущего набора
, - все порядковые номера, которые можно получить, применяя порядковые номера меньше
из предыдущего набора
как аргументы функций
, где
.
Поэтому мы можем переписать это условие так:

Таким образом, объединение всех множеств
с
т.е.
обозначает набор всех ординалов, которые могут быть созданы из ординалов
функциями + (сложение) и
, где
и
.
Затем
— наименьший порядковый номер, не принадлежащий этому множеству.
Примеры
Рассмотрим следующие примеры:

(поскольку нет функций
и 0 + 0 = 0).
Затем
.
включает в себя
и все возможные суммы натуральных чисел и, следовательно,
– первый трансфинитный порядковый номер, который по определению больше всех натуральных чисел.
включает в себя
и все возможные их суммы и, следовательно,
.
Если
затем
и
.
Если
затем
и
– наименьшее число эпсилон, т.е. первая фиксированная точка
.
Если
затем
и
.
второе число эпсилон,
т.е. первая фиксированная точка
,
, где
обозначает функцию Веблена ,
, где
обозначает функцию Фефермана и
– ординал Фефермана–Шюте ,
– ординал Аккермана ,
малый ординал Веблена ,
— большой ординал Веблена ,

Теперь давайте исследуем, как
работает:

т.е. включает в себя все счетные ординалы. И поэтому
включает все возможные суммы всех счетных ординалов и
первый неисчисляемый порядковый номер, который по определению больше всех счетных порядковых номеров, т.е. наименьшее число с мощностью
.
Если
затем
и
.




где
является натуральным числом,
,

Для случая
набор
включает в себя функции
со всеми аргументами меньше
то есть такие аргументы, как 
а потом

В общем случае:

Мы также можем написать:

Бухгольц [3] определил порядковую запись
связанный с
функция. Одновременно определим множества
и
как формальные строки, состоящие из
индексируется
, фигурные скобки и запятые следующим образом:
,
.
.
.
Элемент
называется термином , а элементом
называется главным термином . По определению,
представляет собой рекурсивный набор и
является рекурсивным подмножеством
. Каждый термин либо
, главный термин или массив главных членов длины в фигурных скобках
. Обозначим
к
. По соглашению каждый термин может быть однозначно выражен либо как
или заключенный в фигурные скобки непустой массив основных терминов. Поскольку пункты 3 и 4 определения
и
применимы только к массивам длины
, это соглашение не вызывает серьезной двусмысленности.
Затем мы определяем бинарное отношение
на
следующим образом:


- Если
, затем: - Если
для некоторых
, затем
истинно, если верно любое из следующих условий: 

- Если
для некоторых
, затем
истинно, если верно любое из следующих условий: 

представляет собой рекурсивный строгий тотальный порядок
. Мы сокращаем
как
. Хотя
сам по себе не является упорядоченным, его ограничение рекурсивным подмножеством
, который будет описан позже, образует упорядоченность. Чтобы определить
, мы определяем подмножество
для каждого
следующим образом:

- Предположим, что
для некоторых
, затем: 

- Если
для некоторых
для некоторых
.
представляет собой рекурсивное отношение на
. Наконец, мы определяем подмножество
следующим образом:

- Для любого
,
эквивалентно
и для любого
,
. - Для любого
,
эквивалентно
и
.
является рекурсивным подмножеством
, и элемент
называется порядковым термином . Затем мы можем определить карту
следующим образом:

- Если
для некоторых
, затем
. - Если
для некоторых
с
, затем
, где
обозначает убывающую сумму ординалов, что совпадает с обычным сложением по определению
.
Бухгольц проверил следующие свойства
:
- Карта
является сохраняющим порядок биективным отображением относительно
и
. В частности,
является рекурсивным строгим упорядочением
. - Для любого
удовлетворяющий
,
совпадает с порядковым типом
ограничено счетным подмножеством
. - Порядковый номер Такеути -Фефермана-Бухгольца совпадает с порядковым типом
ограничено рекурсивным подмножеством
. - Порядковый тип
больше ординала Такеути-Фефермана-Бухгольца . - Для любого
, обоснованность
ограничено рекурсивным подмножеством
в смысле несуществования примитивно-рекурсивной бесконечной нисходящей последовательности недоказуемо при
. - Обоснованность
ограничено рекурсивным подмножеством
в том же смысле, что и выше, не доказуемо при
.
Нормальную форму функции Бухгольца можно определить путем возврата к стандартной форме для порядкового обозначения, связанного с ней по формуле
. А именно, набор
предикатов, где ординалы в
определяется следующим образом:
- Предикат
по порядковому номеру
определяется как
принадлежит
.
- Предикат
где ординалы
с
определяется как
и
принадлежит
. - Предикат
где ординалы
с целым числом
определяется как
,
, и
принадлежит
. Здесь
является функциональным символом, а не фактическим дополнением, и
обозначает класс аддитивных главных чисел.
Полезно также заменить третий случай следующим, полученным объединением второго условия:
- Предикат
где ординалы
с целым числом
и
определяется как
,
, и
принадлежит
.
Заметим, что эти две формулировки не эквивалентны. Например,
является допустимой формулой, которая неверна по отношению ко второй формулировке из-за
, хотя это действительная формула, которая верна по отношению к первой формулировке из-за
,
, и
. Таким образом, понятие нормальной формы во многом зависит от контекста. В обеих формулировках каждый порядковый номер в
может быть однозначно выражена в нормальной форме для функции Бухгольца.