任意公式的反射

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对整条公式的反射,必须为其语法中各处出现的存在子公式给出答案。本章沿公式递归构造联合封闭条件与序数梯,得到一层,使该公式在其中与整个可构造宇宙中具有相同真值。

证明是结构归纳,它需要该层具备两样东西。在无界量词处,需要上一章的闭包,针对该量词自己的矩阵。在有界量词处,需要那个界落在该层里,好让落在界内的一切也落在其中;那正是分离那一章早已会满足的常元条件。

没有哪个针对单一矩阵的极限能同时覆盖全部矩阵,因为闭包不为更大的层所继承:把层扩大,就有更多环境需要它处理。因此这架梯要联合构造:每一级的步进沿公式的结构进行,把其中每个矩阵的单矩阵步进合并起来,连同包含常元的那一层。于是极限对每个矩阵都给出回答,上一章的论证施于其中每一个即可,无须重做。

{-# OPTIONS --cubical --safe --guardedness #-}

open import Base.Prelude
open import Base.Classical using ( LEM )

module L.FormulaReflection { : Level} (lem : LEM (ℓ-suc )) where

open import FOL.ZFStructure using ( module hPropStructure )
open import FOL.Syntax
  using ( Term; con; var; Formula; _∈̇_; _≐_; _∧̇_; _∨̇_; _⇒̇_; ¬̇_; ⊥̇
        ; ∃̇_; ∀̇_; ∀̇∈; ∃̇∈ )
英文原文

lint-agda: keep (⊤̇ names the defining formula behind LsetS)

open import FOL.Manipulation.ConstantBounding using ( BoundedTm; BoundedFo )
open import FOL.Manipulation.Relativization using ( relativize; module Correct )
import FOL.Absoluteness
open import V.Hierarchy {} using ( 𝒮ᵥ )
open import L.Constructible {}
  using ( 𝒮ʟ; isL; isL-trans; IsOrd; Lset; Lset-layer; layer-trans )
open import L.Ordinal {} using ( ∅-ord; bound2 )
open import L.Axioms.Basic {} using ( LsetS )
open import L.Axioms.Separation {} lem
  using ( Below′; liftFoTo; mkBoundedFo )
open import L.ExistentialReflection {} lem
  using ( Below; LsetEnv; pickStage; ClosedFor; module Ladder; module Single )

open import Cubical.Data.Unit using ( Unit*; tt* )
import Cubical.HITs.PropositionalTruncation as PT
open PT using ( ∣_∣₁ )
import Cubical.Data.Empty as Empty
open import Cubical.Data.Sum using ( _⊎_; inl; inr )
open import Cubical.Functions.Logic using ( ⇔toPath )
open import Cubical.HITs.CumulativeHierarchy.Base using ( V; _∈_ )
open import Cubical.HITs.CumulativeHierarchy.Constructions using (  )

open hPropStructure 𝒮ʟ using ( S )

module AbsL = FOL.Absoluteness.Single 𝒮ᵥ isL isL-trans
open AbsL renaming ( _⊨ᵐ_ to _⊨_ ; ⟦_⟧ᵐ to ⟦_⟧ )

作为元素的层

相对化以一个常元界住诸量词,而该常元必须是模型的元素,故须证层可构造。确实可构造,而且很直接:公式「真」定义出一个集合的全体,故层是它自身的可定义子集,因而属于施于自身的那个算子,因而在下一层可构造。有了这一条,到某层的相对化便可实例化一次,其有界读法随即供归纳取用。

被封存的只是那份证书:作为模型元素的层是「层与证书」的对,而第一分量必须继续规约,因为「落在界内」与「落在层内」是同一句话,规约恰恰依赖这一点。证书则是另一回事。它经可定义性一路展开到涉及小性的检查,而它又存放于一个常元之中,于是类型中每个提到该常元的部分都会连带承担那次展开的代价;一章若用相对化公式作分离,没有这一行就要以分钟而非秒计。

module Cor (β : V ) ( : IsOrd β) =
  Correct 𝒮ʟ id (LsetS β )

层对公式的义务

沿公式走下去,需要额外处理的节点是无界量词:每个带一个矩阵,而上一章为该矩阵所造的步进函数必须落在下一级里。沿公式的结构把这些隶属关系收集起来,便得到该级必须满足的一组条件;它是一棵与公式同形的树,在原子处,以及在每个不绑定任何东西的节点处为空。

全称量词贡献的是否定后矩阵的步进,因为对它的论证是反证:要知道层中的一切都满足该矩阵,就是要知道 L 中没有东西反驳它,而须被纳入层里的正是那个反驳。

这些条件只会随着级的增大而更易满足,因为每一项都是一条隶属关系,而隶属关系经序数继承。正是这一点使下面的诸次合并能把各部分提升到它们的并处。

Answers :  {n} (φ : Formula S n) (σ : V ) ( : IsOrd σ) (τ : V )
         Type (ℓ-suc )
Answers (t ∈̇ u)  σ  τ = Unit*
Answers (t  u)  σ  τ = Unit*
Answers (φ ∧̇ ψ)  σ  τ = Answers φ σ  τ × Answers ψ σ  τ
Answers (φ ∨̇ ψ)  σ  τ = Answers φ σ  τ × Answers ψ σ  τ
Answers (φ ⇒̇ ψ)  σ  τ = Answers φ σ  τ × Answers ψ σ  τ
Answers ⊥̇        σ  τ = Unit*
Answers (∃̇ φ)    σ  τ =  Single.Fstep φ σ   τ  × Answers φ σ  τ
Answers (∀̇ φ)    σ  τ =  Single.Fstep (¬̇ φ) σ   τ  × Answers φ σ  τ
Answers (∀̇∈ t φ) σ  τ = Answers φ σ  τ
Answers (∃̇∈ t φ) σ  τ = Answers φ σ  τ

Answers-mono : {τ τ' : V }   τ  τ'   IsOrd τ'
               {n} (φ : Formula S n) (σ : V ) ( : IsOrd σ)
              Answers φ σ  τ  Answers φ σ  τ'
Answers-mono h o (t ∈̇ u)  σ  _        = tt*
Answers-mono h o (t  u)  σ  _        = tt*
Answers-mono h o (φ ∧̇ ψ)  σ  (a , b) =
  Answers-mono h o φ σ  a , Answers-mono h o ψ σ  b
Answers-mono h o (φ ∨̇ ψ)  σ  (a , b) =
  Answers-mono h o φ σ  a , Answers-mono h o ψ σ  b
Answers-mono h o (φ ⇒̇ ψ)  σ  (a , b) =
  Answers-mono h o φ σ  a , Answers-mono h o ψ σ  b
Answers-mono h o ⊥̇        σ  _        = tt*
Answers-mono {τ} h o (∃̇ φ) σ  (F , a) =
  o .fst {x = τ} {y = Single.Fstep φ σ } F h , Answers-mono h o φ σ  a
Answers-mono {τ} h o (∀̇ φ) σ  (F , a) =
  o .fst {x = τ} {y = Single.Fstep (¬̇ φ) σ } F h , Answers-mono h o φ σ  a
Answers-mono h o (∀̇∈ t φ) σ  a        = Answers-mono h o φ σ  a
Answers-mono h o (∃̇∈ t φ) σ  a        = Answers-mono h o φ σ  a

联合步骤

接下来构造满足这些条件的一步。沿公式递归,从当前一级出发构造位于其上的一个序数,并携带整棵隶属关系树。三种形状覆盖所有构造子:没有额外条件的节点取当前级自身的上界;有两个子节点时合并两个子序数;量词节点则在子节点之上再加入一个步进函数。

每种形状只写一次,并对任意负载与任意提升方式适用,因此递归本身由十条各占一行的子句组成,不必在每条子句中重复序数的计算。另一种直接写法是三套并行递归,每套都有十条子句,分别计算该序数、它的序数性以及当前级属于它;三者遍历同一棵树,并投影同一批上界。

private
  Box : (σ : V ) (P : V   Type (ℓ-suc ))  Type (ℓ-suc )
  Box σ P = Σ[ τ  V  ] (IsOrd τ ×  σ  τ  × P τ)

  Raise : (P : V   Type (ℓ-suc ))  Type (ℓ-suc )
  Raise P = {τ τ' : V }   τ  τ'   IsOrd τ'  P τ  P τ'

  unitBox : (σ : V ) ( : IsOrd σ)  Box σ  _  Unit*)
  unitBox σ  = b .fst , (b .snd .fst , (b .snd .snd .fst , tt*))
    where b = bound2 σ σ  

  joinBox : {σ : V } {P Q : V   Type (ℓ-suc )}  Raise P  Raise Q
           Box σ P  Box σ Q  Box σ  τ  P τ × Q τ)
  joinBox {σ} rP rQ (τ₁ , (o₁ , (s₁ , p))) (τ₂ , (o₂ , (_ , q))) =
    b .fst
    , ( ob
      , ( ob .fst {x = τ₁} {y = σ} s₁ (b .snd .snd .fst)
        , ( rP (b .snd .snd .fst) ob p , rQ (b .snd .snd .snd) ob q ) ) )
    where
    b  = bound2 τ₁ τ₂ o₁ o₂
    ob = b .snd .fst

  addBox : {σ : V } {P : V   Type (ℓ-suc )}  Raise P
          (F : V )  IsOrd F  Box σ P  Box σ  τ   F  τ  × P τ)
  addBox {σ} rP F oF (τ , ( , (s , p))) =
    b .fst
    , ( ob
      , ( ob .fst {x = τ} {y = σ} s (b .snd .snd .snd)
        , ( b .snd .snd .fst , rP (b .snd .snd .snd) ob p ) ) )
    where
    b  = bound2 F τ oF 
    ob = b .snd .fst

  raiseAns :  {n} (φ : Formula S n) (σ : V ) ( : IsOrd σ)
            Raise (Answers φ σ )
  raiseAns φ σ  h o = Answers-mono h o φ σ 

gstep :  {n} (φ : Formula S n) (σ : V ) ( : IsOrd σ)  Box σ (Answers φ σ )
gstep (t ∈̇ u)  σ  = unitBox σ 
gstep (t  u)  σ  = unitBox σ 
gstep (φ ∧̇ ψ)  σ  = joinBox (raiseAns φ σ ) (raiseAns ψ σ )
                        (gstep φ σ ) (gstep ψ σ )
gstep (φ ∨̇ ψ)  σ  = joinBox (raiseAns φ σ ) (raiseAns ψ σ )
                        (gstep φ σ ) (gstep ψ σ )
gstep (φ ⇒̇ ψ)  σ  = joinBox (raiseAns φ σ ) (raiseAns ψ σ )
                        (gstep φ σ ) (gstep ψ σ )
gstep ⊥̇        σ  = unitBox σ 
gstep (∃̇ φ)    σ  = addBox (raiseAns φ σ )
                        (Single.Fstep φ σ ) (Single.Fstep-ord φ σ )
                        (gstep φ σ )
gstep (∀̇ φ)    σ  = addBox (raiseAns φ σ )
                        (Single.Fstep (¬̇ φ) σ ) (Single.Fstep-ord (¬̇ φ) σ )
                        (gstep φ σ )
gstep (∀̇∈ t φ) σ  = gstep φ σ 
gstep (∃̇∈ t φ) σ  = gstep φ σ 

联合梯

固定一条公式,以及一个装着调用方所需的其余东西的序数:它的常元,以及它将要在其上跑反射的任何集合。一级的步进就是把那个序数并进去的联合步进;自空序数迭代,得到上升的链,即一架梯,而上一章的极限机器原样适用。

有两条读法从该步进白得,因为它们本就被造了进去。那个额外的序数落在第一级里,因而落在极限之下。而在每一级上,整棵隶属树都对下一级成立,这正是归纳所要的、作答假设的那个形式。

module Mk {n : } (φ₀ : Formula S n) (κ : V ) ( : IsOrd κ)
          (bdd : BoundedFo (Below′ κ) φ₀) where

  private
    jstep : (σ : V ) ( : IsOrd σ)
           Box σ  τ   κ  τ  × Answers φ₀ σ  τ)
    jstep σ  = addBox (raiseAns φ₀ σ ) κ  (gstep φ₀ σ )

  Gₙ :   V 
  Gₙ-ord : (N : )  IsOrd (Gₙ N)
  Gₙ zero        = 
  Gₙ (suc N)     = jstep (Gₙ N) (Gₙ-ord N) .fst
  Gₙ-ord zero    = ∅-ord
  Gₙ-ord (suc N) = jstep (Gₙ N) (Gₙ-ord N) .snd .fst

  Gₙ-step : (N : )   Gₙ N  Gₙ (suc N) 
  Gₙ-step N = jstep (Gₙ N) (Gₙ-ord N) .snd .snd .fst

  module Lad = Ladder Gₙ Gₙ-ord Gₙ-step

  β : V 
  β = Lad.top

   : IsOrd β
   = Lad.top-ord

  κ∈β :  κ  β 
  κ∈β =  .fst {x = Gₙ 1} {y = κ}
          (jstep  ∅-ord .snd .snd .snd .fst) (Lad.G∈top 1)

  answersAt : (N : )  Answers φ₀ (Gₙ N) (Gₙ-ord N) (Gₙ (suc N))
  answersAt N = jstep (Gₙ N) (Gₙ-ord N) .snd .snd .snd .snd

把这组条件读回来就得到闭包。在某一级上,那棵树给出该矩阵的步进函数落在下一级里,而上一章给出该矩阵的作答层落在它的步进函数里;序数传递性把两者复合成那条作答假设,梯的闭包随之而来。

再补充两个辅助事实,归纳便可开始:属于一层是向下继承的,因为层传递;而词项的取值落在该层里,常元是因为它被登记过,变元是因为环境落在那里。

  private
    closureOf : {k : } (ψ : Formula S (suc k))
               ((N : )   Single.Fstep ψ (Gₙ N) (Gₙ-ord N)  Gₙ (suc N) )
               ClosedFor β ψ
    closureOf ψ lands = Lad.closure ψ
       N ms  Gₙ-ord (suc N) .fst
                  {x = Single.Fstep ψ (Gₙ N) (Gₙ-ord N)}
                  {y = pickStage ψ (LsetEnv (Gₙ N) (Gₙ-ord N) ms)}
                  (Single.pickLand ψ (Gₙ N) (Gₙ-ord N) ms) (lands N))

  open Cor β  using ( _⊨ᴬ_; relativize-correct )

  private
    transβ : {x y : V }   x  y    y  Lset β    x  Lset β 
    transβ = layer-trans (Lset-layer β)

    lookupInLayer :  {m} (i : Fin m) (γ : S ^ m)  Below β γ
                    fst (lookup i γ)  Lset β 
    lookupInLayer zero    (a  γ) (ha , _)  = ha
    lookupInLayer (suc i) (a  γ) (_  , ) = lookupInLayer i γ 

    tmInLayer :  {m} (t : Term S m) (γ : S ^ m)  Below β γ
               BoundedTm (Below′ β) t   fst ( t  γ)  Lset β 
    tmInLayer (con c) γ _  h = h
    tmInLayer (var i) γ  _ = lookupInLayer i γ 

归纳

原子与常元是 refl,因为相对化不碰它们;联结词是同余。有界量词是第一个实质情形:它的见证本就落在界里,界落在层里,而层传递,故见证落在层里,归纳假设遂适用于扩展后的环境。

存在量词的情形归结为上一章的论证。向下:来自层的见证本来就是 L 中的见证,归纳假设把它转移过去。向上是闭包的情形:存在量词在 L 中为真,按定义正是闭包引理所处理的那种可满足性,于是闭包返回一个已在层之内的见证,归纳假设转而适用于这一个见证。请注意用的是哪个见证:不是 L 恰好给出的那个,而是闭包选出的那个。这正是此处不产生循环的原因,也正是那一层永远不必成为任何东西的不动点的原因。

全称量词的情形就是否定后矩阵的存在量词的情形,用反证法论证。若 L 的某个元素不满足该矩阵,那次失败便是否定后矩阵的一个见证,于是闭包会在层之内造出一个这样的见证;然而归纳假设断言层中的一切都满足该矩阵,两者矛盾。判定那个元素是否失败,正是排中律进入本次归纳之处,而且是唯一之处。

  reflectFo :  {m} (χ : Formula S m)
             ((N : )  Answers χ (Gₙ N) (Gₙ-ord N) (Gₙ (suc N)))
             BoundedFo (Below′ β) χ
             (γ : S ^ m)  Below β γ  (γ  χ)  (γ ⊨ᴬ χ)

  private
    reflect∃ :  {m} (χ : Formula S (suc m))  ClosedFor β χ
              ((N : )  Answers χ (Gₙ N) (Gₙ-ord N) (Gₙ (suc N)))
              BoundedFo (Below′ β) χ
              (γ : S ^ m)  Below β γ  (γ  (∃̇ χ))  (γ ⊨ᴬ (∃̇ χ))
    reflect∃ χ cl an bd γ  = ⇔toPath fwd bwd
      where
      fwd :  γ  (∃̇ χ)    γ ⊨ᴬ (∃̇ χ) 
      fwd ex = PT.map
         { (q , (fq∈ , satq)) 
             q , (fq∈ , subst ⟨_⟩ (reflectFo χ an bd (q  γ) (fq∈ , )) satq) })
        (cl γ  ex)
      bwd :  γ ⊨ᴬ (∃̇ χ)    γ  (∃̇ χ) 
      bwd = PT.map
         { (x , (x∈A , satx)) 
             x , subst ⟨_⟩ (sym (reflectFo χ an bd (x  γ) (x∈A , ))) satx })

    reflect∀ :  {m} (χ : Formula S (suc m))  ClosedFor β (¬̇ χ)
              ((N : )  Answers χ (Gₙ N) (Gₙ-ord N) (Gₙ (suc N)))
              BoundedFo (Below′ β) χ
              (γ : S ^ m)  Below β γ  (γ  (∀̇ χ))  (γ ⊨ᴬ (∀̇ χ))
    reflect∀ χ cl an bd γ  = ⇔toPath fwd bwd
      where
      fwd :  γ  (∀̇ χ)    γ ⊨ᴬ (∀̇ χ) 
      fwd h x x∈A =
        subst ⟨_⟩ (reflectFo χ an bd (x  γ) (x∈A , )) (h x)
      bwd :  γ ⊨ᴬ (∀̇ χ)    γ  (∀̇ χ) 
      bwd H x = decide (lem ((x  γ)  χ))
        where
        decide : ( (x  γ)  χ   ( (x  γ)  χ   Empty.⊥))
                 (x  γ)  χ 
        decide (inl yes) = yes
        decide (inr no)  = PT.rec (snd ((x  γ)  χ)) collide
          (cl γ   x ,  yes  lift (no yes)) ∣₁)
          where
          collide : Σ[ q  S ] ( fst q  Lset β  ×  (q  γ)  (¬̇ χ) )
                    (x  γ)  χ 
          collide (q , (fq∈ , refute)) = Empty.rec
            (lower (refute (subst ⟨_⟩
              (sym (reflectFo χ an bd (q  γ) (fq∈ , ))) (H q fq∈))))

  reflectFo (t ∈̇ u)  an bd γ  = refl
  reflectFo (t  u)  an bd γ  = refl
  reflectFo (χ ∧̇ ψ)  an bd γ  =
    cong₂ _⊓_ (reflectFo χ  N  an N .fst) (bd .fst) γ )
              (reflectFo ψ  N  an N .snd) (bd .snd) γ )
  reflectFo (χ ∨̇ ψ)  an bd γ  =
    cong₂ _⊔_ (reflectFo χ  N  an N .fst) (bd .fst) γ )
              (reflectFo ψ  N  an N .snd) (bd .snd) γ )
  reflectFo (χ ⇒̇ ψ)  an bd γ  =
    cong₂ _⇒_ (reflectFo χ  N  an N .fst) (bd .fst) γ )
              (reflectFo ψ  N  an N .snd) (bd .snd) γ )
  reflectFo ⊥̇        an bd γ  = refl
  reflectFo (∃̇ χ)    an bd γ  =
    reflect∃ χ (closureOf χ  N  an N .fst))  N  an N .snd) bd γ 
  reflectFo (∀̇ χ)    an bd γ  =
    reflect∀ χ (closureOf (¬̇ χ)  N  an N .fst))  N  an N .snd) bd γ 
  reflectFo (∀̇∈ t χ) an bd γ  = ⇔toPath fwd bwd
    where
    tInβ :  fst ( t  γ)  Lset β 
    tInβ = tmInLayer t γ  (bd .fst)
    fwd :  γ  (∀̇∈ t χ)    γ ⊨ᴬ (∀̇∈ t χ) 
    fwd h x x∈t = subst ⟨_⟩
      (reflectFo χ an (bd .snd) (x  γ) (transβ x∈t tInβ , )) (h x x∈t)
    bwd :  γ ⊨ᴬ (∀̇∈ t χ)    γ  (∀̇∈ t χ) 
    bwd h x x∈t = subst ⟨_⟩
      (sym (reflectFo χ an (bd .snd) (x  γ) (transβ x∈t tInβ , ))) (h x x∈t)
  reflectFo (∃̇∈ t χ) an bd γ  = ⇔toPath fwd bwd
    where
    tInβ :  fst ( t  γ)  Lset β 
    tInβ = tmInLayer t γ  (bd .fst)
    fwd :  γ  (∃̇∈ t χ)    γ ⊨ᴬ (∃̇∈ t χ) 
    fwd = PT.map  { (x , (x∈t , h))  x , (x∈t , subst ⟨_⟩
      (reflectFo χ an (bd .snd) (x  γ) (transβ x∈t tInβ , )) h) })
    bwd :  γ ⊨ᴬ (∃̇∈ t χ)    γ  (∃̇∈ t χ) 
    bwd = PT.map  { (x , (x∈t , h))  x , (x∈t , subst ⟨_⟩
      (sym (reflectFo χ an (bd .snd) (x  γ) (transβ x∈t tInβ , ))) h) })

反射定理

把这次归纳与相对化的正确性复合,就把有界读法变回一次寻常的满足,只不过对象是相对化后的公式。这是便于使用的形式:右侧是 Δ₀ 的,故任意复杂度的公式已被换成一条有界公式加一个被明确指出的层。

整理成定理后,它接受一条公式和调用方要求包含在层中的任意序数,并返回一个包含该序数的层。这个额外序数不可省略:证书不会由较大层继承,所以调用方不能事后扩大层,以容纳自己已有的集合。调用方必须预先说明需要包含什么,联合步进会把这一要求一同带入构造。

这个包被封装起来,而这是本书至此最要紧的一次封装。若是透明的,它所命名的层会在每一级上一路展开到联合步进、界层引理与排中律;而凡在类型中提到该层的使用者,都会把那整次展开带进每一次转换检查,两个使用者恰恰都在类型中提到它,于是下一章根本无法完成。封装之后,那一层只是一个名字,使用者向它索取的四样东西,正是这个包已经陈述的四样。

  reflectRel : (γ : S ^ n)  Below β γ
              (γ  φ₀)  (γ  relativize (LsetS β ) φ₀)
  reflectRel γ  =
    reflectFo φ₀ answersAt (liftFoTo κ∈β φ₀ bdd) γ 
     sym (relativize-correct φ₀ γ)

opaque
  mkReflect :  {n} (φ : Formula S n) (δ : V )  IsOrd δ
             Σ[ β  V  ] Σ[   IsOrd β ]
                ( δ  β 
                 × ((γ : S ^ n)  Below β γ
                     (γ  φ)  (γ  relativize (LsetS β ) φ)))
  mkReflect φ δ  = M.β , (M.oβ , (δ∈β , M.reflectRel))
    where
    bdd : Σ[ σ  V  ] (IsOrd σ × BoundedFo (Below′ σ) φ)
    bdd = mkBoundedFo φ
    b : Σ[ τ  V  ] (IsOrd τ ×  bdd .fst  τ  ×  δ  τ )
    b = bound2 (bdd .fst) δ (bdd .snd .fst) 
    module M = Mk φ (b .fst) (b .snd .fst)
                  (liftFoTo (b .snd .snd .fst) φ (bdd .snd .snd))
    δ∈β :  δ  M.β 
    δ∈β = M.oβ .fst {x = b .fst} {y = δ} (b .snd .snd .snd) M.κ∈β

小结

mkReflect 对任意公式以及任意必须装进去的序数,造出一层,公式在其上与它到该层的相对化一致。相对化是 Δ₀ 的,这便是从整个语言通向有界片段的途径:分离那一章因此能用有界片段来表述;它也是那一章的 Δ₀ 工具与两条以任意公式陈述的模型字段之间的最后一环。

经典的代价一如既往:排中律,用在下降处、判定可满足性处,以及此处全称情形再用一次。这里没有用到选择,也没有用到 L 的良序。