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/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / math / 17397 < prev    next >
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Text File  |  1992-12-24  |  13.9 KB  |  268 lines

  1. Xref: sparky sci.math:17397 sci.logic:2477
  2. Path: sparky!uunet!elroy.jpl.nasa.gov!ames!olivea!news.bbn.com!hsdndev!husc-news.harvard.edu!husc10.harvard.edu!zeleny
  3. From: zeleny@husc10.harvard.edu (Michael Zeleny)
  4. Newsgroups: sci.math,sci.logic
  5. Subject: Re: The Continuum Hypothesis:  Must it be {True or False}
  6. Summary: yes
  7. Message-ID: <1992Dec24.161747.18827@husc3.harvard.edu>
  8. Date: 24 Dec 92 21:17:44 GMT
  9. References: <1992Dec11.162239.8548@cadkey.com> <1992Dec14.200024.6435@nas.nasa.gov> <1992Dec24.034938.11339@smsc.sony.com>
  10. Organization: The Phallogocentric Cabal
  11. Lines: 254
  12. Nntp-Posting-Host: husc10.harvard.edu
  13.  
  14. In article <1992Dec24.034938.11339@smsc.sony.com> 
  15. markc@smsc.sony.com (Mark Corscadden) writes:
  16.  
  17. >In article <1992Dec14.200024.6435@nas.nasa.gov>
  18. >asimov@wk223.nas.nasa.gov (Daniel A. Asimov) writes:
  19.  
  20. DAA:
  21. >>Do people buy this, that FLT must be {true or false}, regardless of
  22. >>whether it is provably true or false (i.e., decidable)?
  23. >>Dan Asimov
  24.  
  25. MC:
  26. >In email, Dan suggested using the phrase "having determinate truth-value"
  27. >to say that a proposition must be {true or false}, regardless of whether
  28. >it is provably true or false.
  29. >
  30. >I'll shorten this, simply saying that such a proposition is "determinate".
  31. >
  32. >To answer Dan's question, I buy - beyond any doubt - that FLT is
  33. >determinate.  On the other hand I can't convince myself that CH (the
  34. >Continuum Hypothesis) is determinate, but at the same time I can't
  35. >find any necessary reason to believe that CH is indeterminate either.
  36. >
  37. >Thinking about the difference between FLT and CH, I came up with a
  38. >sufficient (to me) condition that a statement be determinate, though
  39. >I have no reason to think that this condition is necessary.  This
  40. >condition is described below along with the rationale behind it.  Does
  41. >anyone recognize the condition below as matching something they've seen
  42. >elsewhere, perhaps in a different context?  Any feelings about whether
  43. >you agree with me that this really is a sufficient condition for a
  44. >statement to be determinate?
  45. >
  46. >Roughly put, the condition says, "If you are talking about objects which
  47. >can be completely identified by asking finite questions concerning them,
  48. >and if you are using only properties defined in terms of such questions
  49. >and the usual quantifiers, then any statement you make is determinate."
  50. >A more precise formulation is given below.
  51. >
  52. >Most important of all, can anyone present an example of a proposition
  53. >which does *not* satisfy the condition below, along with an argument
  54. >that their proposition is nevertheless determinate?  How about a
  55. >proposition that does satisfy the condition, along with an argument
  56. >that said proposition is indeterminate?
  57. >
  58. >To talk about this you need to use some framework, so I'll use ZFC set
  59. >theory which is a pretty well-known framework.  The discussion doesn't
  60. >seem to require anything more than naive set theory, but it should always
  61. >be possible to explicitly ground this stuff in ZFC if the extra precision
  62. >is necessary for some reason.
  63. >
  64. >My condition says in part that your mathematical object must be completely
  65. >identified by some class of finite questions having finite answers; call
  66. >these specific questions the *basis* questions.  By Godel-numbering the
  67. >basis questions and by expanding the set of questions in a mechanical way,
  68. >you can transform the questions into non-negative integers and the answers
  69. >can be limited to {yes , no} without loosing any generality.  Let X be the
  70. >set of objects concerning which you wish to make determinate statements,
  71. >and let F(x) give, for each object x, the answer to any *basis* question
  72. >which can be asked concerning x.  Then my condition begins with these two
  73. >requirements:
  74. >
  75. >(1) "F(x) provides the answers to all basis questions about x."
  76. >    There is a set X and a function F that assigns to each x in X
  77. >    a map F(x): N -> {yes,no}, where N is the set of non-negative
  78. >    integers.
  79. >
  80. >(2) "The basis questions completely describe any given object."
  81. >    The identity of x (an element of X) is completely determined
  82. >    by the map F.  That is, the function F is injective (1-to-1).
  83. >
  84. >Now create a universe of discourse U by adjoining to X a copy of the natural
  85. >numbers N.  Use the two atomic predicates A(n,m,p) (meaning n+m=p) and
  86. >M(n,m,p) (meaning n*m=p) to allow you to talk about basic properties of
  87. >the natural numbers.  Then add one additional atomic predicate P(n,x) for
  88. >use in talking about the original objects from the set X.  The meaning of
  89. >P(n,x) is:
  90. >
  91. >        n is a natural number
  92. >        x is an object from the original set X
  93. >        F(x) maps n to "yes".
  94. >
  95. >Then my sufficient (and possibly necessary???) condition that a statement
  96. >be determinate ends with this third and final requirement:
  97. >
  98. >(3) The statement can be expressed using the atomic predicates above, along
  99. >    with the usual quantifiers and logical connectives.
  100. >
  101. >
  102. >I can't prove that this is a sufficient condition for a statement to be
  103. >determinate, but then again I can't imagine a counterexample that meets
  104. >the conditions above and yet can be argued to be indeterminate.  I would
  105. >love to be floored by someone with a nice counterexample.
  106. >
  107. >Also I can't think of any examples that don't meet the conditions above
  108. >and yet seem to me to be determinate of necessity, but again I'd love to
  109. >be floored by a nice example.  Actually in this case, what is really needed
  110. >is a broad class of statements all of which are determinate even though
  111. >the conditions (1) - (3) are not in effect.  (Isolated statements which
  112. >are determinate can always be manufactured by "ignoring" interesting
  113. >properties and saying something trivial.)
  114. >
  115. >Note that my conditions (1) - (3) immediately force me to believe that
  116. >all statements which can be made about natural numbers using the usual
  117. >language of elementary number theory are determinate, which trivially
  118. >includes FLT.  For those who took the time to follow all this so far
  119. >but find it a bit abstract, here is an important example where the
  120. >universe of discourse has cardinality greater than that of N, the set
  121. >of natural numbers.
  122. >
  123. >Let the (primary) universe of discourse, X, be the set of all *subsets*
  124. >of N.  Actually this example is the one that guided me when I invented
  125. >the conditions (1) - (3).  When I visualize a generic subset of natural
  126. >numbers I can picture it as a series, for example
  127. >
  128. >        { 3, 4, 7, 12, 13, 17, 24, 27, 28, ... }.
  129. >
  130. >This mental image of a generic subset of natural numbers is "complete"
  131. >to me - in the sense that *any* specific issue that is relevant to the
  132. >identity of such a subset must be settled by the contents of the mental
  133. >image at *some* point, if the image is extended far enough; and there is
  134. >nothing that prevents me from imagining that the image can be extended
  135. >(in principle) to any degree that is necessary.
  136. >
  137. >After thinking about this, I decided that you could capture the essence
  138. >of what is going on above by saying that you have a certain type of question
  139. >which you can ask about a given subset of N, namely this type of question:
  140. >
  141. >        is 0 in the subset?
  142. >        is 1 in the subset?
  143. >        is 2 in the subset?
  144. >        is 3 in the subset?
  145. >
  146. >and *anything* that is relevant to the identity of such a subset must
  147. >be addressed by one or more questions of this type.  Another important part
  148. >of the intuition I was trying to capture was that any element of a mental
  149. >image I might have that is truly clear should be something that I can
  150. >express to another person - which requires the ability to provide a
  151. >finite description of some kind.
  152. >
  153. >Getting back to the example, the universe of discourse U consists of all
  154. >*subsets* of N, with the *elements* of N thrown in for good measure.  The
  155. >meaning of the atomic predicate P(n,x) is, "the number n is a member of
  156. >the subset x".  Then you immediately have the following kinds of statements
  157. >which are all determinate:
  158. >
  159. >        for all x, 0 is a member of x                           (false)
  160. >        for all x, if 0 is in x then 1 is in x                  (false)
  161. >        there is an x such that 0 is in x                       (true)
  162. >
  163. >In addition, you can define "x is a subset of y" using the open sentence:
  164. >
  165. >        for all n, if n is a member of x, then n is a member of y
  166. >
  167. >so any statements which are built up out of quantifiers and the relation
  168. >"subset of" will also all be determinate.  I wonder whether the predicate
  169. >"n is an element of x" is really sufficient to allow you to say a broad
  170. >class of interesting things about this universe of discourse, though.
  171. >If not, then all propositions may turn out to be determinate simply because
  172. >you can't state any of the interesting propositions under these restrictions.
  173. >I know too little about this particular universe of discourse to venture
  174. >an opinion - as far as I know it is not studied for its own sake by
  175. >anyone.  Contrast the universe of discourse consisting of N itself, which
  176. >has been heavily studied for its own sake.  I believe that having just the
  177. >two atomic predicates A(n,m,p) and M(n,m,p) is sufficient to allow you to
  178. >form the interesting propositions concerning N, but I really don't know
  179. >much about this particular kind of foundation issue.
  180. >
  181. >Anyway, there are consequences of using my conditions (1) - (3) that seem
  182. >very arbitrary and bizarre to me, namely the limit on the cardinality of
  183. >the set X (the primary universe of discourse).  The condition (2) that F
  184. >be injective implies that the cardinality cannot exceed the cardinality
  185. >of the continuum.  The example where X = "the set of all subsets of N" has
  186. >an F which is also surjective (onto) so it represents a universe of maximal
  187. >cardinality.  It seems odd to me that having *all* (quantified) statements
  188. >be determinate would require this peculiar restriction on the cardinality
  189. >of the universe of discourse, but I don't have any good example in hand of
  190. >a larger universe where indeterminate statements cannot be formed
  191. >regardless of how quantifiers and some interesting set of atomic predicates
  192. >are used.
  193. >
  194. >Oh well, this question of the "determinateness" of mathematical statements
  195. >seems very, very, important to me.  Which types of statements are
  196. >determinate?  Why?  And yet I know that a lot of people with extreme
  197. >beliefs in one direction or the other will see most of my discussion
  198. >as meaningless.
  199. >
  200. >Are there people out there who share my feelings about how important
  201. >the question of determinateness is, and understand what is troubling me
  202. >well enough to provide insight?  Even if they think that my concerns are
  203. >ultimately misguided?  And does anyone recognize my conditions (1) - (3)
  204. >as being equivalent to something else that they are already familiar with
  205. >which comes up naturally in conjunction with logic or determinateness?
  206.  
  207. Well, I do not see this discussion as terribly meaningful, because it
  208. opens more questions than in purports to settle.  But instead of
  209. criticizing the above points, I sdhall lay down some observations.
  210.  
  211. FLT is a \Pi^0_1 sentence.  In any first-order, or otherwise complete
  212. theory, undecidability of a \Pi^0_1 sentence requires that it be false
  213. in some models of the theory, but true in others; for otherwise by
  214. semantic completeness it would have been provable or refutable,
  215. according as it were valid or contradictory.  The question of truth
  216. reduces to whether the sentence can be false in a standard model, --
  217. iff not, it is by definition true.  Now, by Tarski's definition of
  218. satisfaction, falsehood in the models of the theory depends on the
  219. existence therein of a witness set for the \Sigma^0_1 negation of the
  220. original sentence; but in case of an arithmetical sentence, these
  221. witnesses must be the integers.  If they are standard integers, then
  222. they have names in the language of the theory, and therefore the
  223. original sentence receives an explicit refutation in the latter, in
  224. contradiction to the hypothesis of undecidability.  On the other hand,
  225. if all the witnesses in all the relevant models are *non-standard*
  226. integers, then _a fortiori_ the proposition in question is true in all
  227. standard models, and so true _simpliciter_, albeit not valid. Hence,
  228. if a \Pi^0_1 sentence is undecidable in a semantically complete theory
  229. of Peano Arithmetic, wherein provability is coincident with validity,
  230. then it is _ipso facto_ true.
  231.  
  232. On the other hand, in second-order PA, all models are standard by
  233. categoricity; in other words, the adoption of a full strength
  234. induction axiom allows us to characterize the integers up to
  235. isomorphism.  But then the completeness argument, as distinct from
  236. soundness alone, is likewise inapplicable for standard second-order
  237. semantics.  (All we can get is that undecidability in second-order PA
  238. entails falsehood in a faithful (satisfying AC and every instance of
  239. comprehension) Henkin model.  Henkin semantics is non-categorical, and
  240. generally is equivalent to the case of many-sorted first-order logic,
  241. so I think that the first-order situation is recapitulated in this
  242. case.)  But the moral of this story is that there is a critical
  243. difference between undecidability in a first-order theory, which by
  244. L\"owenheim-Skolem theorems cannot characterize infinite structures up
  245. to isomorphism, and a higher-order theory, which can do so.
  246.  
  247. Thus the Continuum Hypothesis is independent of first-order ZFC;
  248. however ZF^2, which assumes a second-order version of Replacement, is
  249. known to settle all set-theoretic question for sets up to the rank
  250. \kappa, the first inaccessible cardinal, -- alas, it is not known
  251. which way they are settled.  But one thing I would emphasize, is that
  252. to strive for certainty by rejecting all higher-order arguments, is
  253. tantamount to losing conceptual certainty in the very same matters
  254. which allow one to define first-order semantics.  For instance, the
  255. concept of finitude is not fixed in any first-order language, because
  256. of the above considerations.
  257.  
  258. >Mark Corscadden
  259. >markc@smsc.sony.com
  260. >work: (408)944-4086
  261.  
  262. Some discussion of the concepts used in my argument will be found in
  263. Stewart Shapiro's _Foundations without Foundationalism_, Oxford, 1991.
  264.  
  265. cordially,
  266. mikhail zeleny@husc.harvard.edu
  267. "Nothing can be said truly of what does not exist."
  268.