ZUR AXIOMATISIERUNG GEWISSER AFFINER GEOMETRIEN Autor(en): Prestel, Alexander Objekttyp: Article Zeitschrift: L'Enseignement Mathématique Band (Jahr): 27 (1981) Heft 1-2: L'ENSEIGNEMENT MATHÉMATIQUE PDF erstellt am: 13.02.2017 Persistenter Link: http://doi.org/10.5169/seals-51743 Nutzungsbedingungen Die ETH-Bibliothek ist Anbieterin der digitalisierten Zeitschriften. Sie besitzt keine Urheberrechte an den Inhalten der Zeitschriften. Die Rechte liegen in der Regel bei den Herausgebern. Die auf der Plattform e-periodica veröffentlichten Dokumente stehen für nicht-kommerzielle Zwecke in Lehre und Forschung sowie für die private Nutzung frei zur Verfügung. Einzelne Dateien oder Ausdrucke aus diesem Angebot können zusammen mit diesen Nutzungsbedingungen und den korrekten Herkunftsbezeichnungen weitergegeben werden. Das Veröffentlichen von Bildern in Print- und Online-Publikationen ist nur mit vorheriger Genehmigung der Rechteinhaber erlaubt. 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Dies 2 liegt daran, daß das Stetigkeitsaxiom ) Aussagen liber alle Mengen X und Y macht. Die hier gewahlte Form besagt inhaltlich, daß auf einer Geraden zwischen zwei nicht-leeren Mengen immer ein Punkt liegt. Dabei bedeutet B (xyz): „Der Punkt y liegt zwischen den Punkten x und z (unter Einschluß der Begrenzungspunkte x und z)". Will man nun die Geometrie des euklidischen Raumes den Frage der Methoden Logik 1. Stufe zuganglich machen, so bietet stellungenund sich an, das Stetigkeitsaxiom nur fur Mengen zu formulieren, die sich explizit definieren lassen, und zwar unter ausschließlicher Benutzung geometrischer Grundbegriffe und Quantiflkation nur über Punkte 3 ). Das heißt, statt des Stetigkeitsaxioms (2. Stufe) 2 fordert man fur jedes Paar von Formeln cp (x) und \j/ (y) C2C x ) Die vorliegeride Arbeit ist eine erweiterte Fassung des Vortrages „Remarks on the axiomatization of general affine geometry" vom 7. Februar 1980 im Symposium über Logik und Algorithmic, Zurich. 2 ) Die hier verwendete Fassung findet sich nicht bei Hilbert, sondern etwa bei [T], ist aber dem von Hilbert verwendeten Stetigkeitsaxiom gleichwertig. 3 ) Dies schliesst implizit naturlich die Quantifikation iiber Geraden und Ebenen mit ein, da diese ja durch zwei bzw. drei Punkte eindeutig festgelegt sind. Die Formeln cp und \j/ durfen dabei selbstverstandlich Parameter ent halten. Das nun resultierende Axiomensystem hat nicht mehr wie bei Hilbert nur den 3 als Modell, vielmehr sind die Modelle genau die euklidischen Raume R 3 , wobei R ein reell abgeschlossener Korper ist. Die resultierende Theorie nennt Tarski die „elementare euklidische Geometrie". Das Wort elementar steht also dafur, daß statt des Stetigkeitsaxioms 2 das Schema der „elementaren" (d.h.erststufigen) Axiome C 1 gefordert wird. In [S] fuhrt W. Szmielew analog die elementare hyperbolische und elementare absolute Geometrie ein. In alien Fallen sind die Grundbegriffe die Zwischenheziehung B (xyz) und die Streckenkongruenz D (xyuv) = die Strecke xy ist kongruent zu der Strecke uv). Wieder sehen die Modelle der elementaren Theorie ahnlich wie die der klassischen Theorie aus, es ist lediglich der Korper R durch einen reell abgeschlossenen Korper R zu ersetzen. Die Verhaltnisse andern sich jedoch wesentlich, wenn man diese Methode des „Elementarisierens" auf die im folgenden zu beschreibende, etwa bei Coxeter [C] formulierte, Geometrie anwendet 1 ). Als einziger Grundbegriff wird jetzt die Zwischenbeziehung B (xyz) verwendet. Die Axiome sind die iiblicherweise fur B formulierten, die bei Hinzunahme weiterer Axiome fur die Streckenkongruenz gerade die absolute Geometrie ergeben. Die Modelle dieser Axiome sind genau die konvexen offenen (nichtleeren) Teilmengen 3 des mit der vom 3 induzierten Zwischenbeziehung. (Siehe etwa Klingenberg [K], §9). Bei dieser Axiomatisierung wurde wieder das Stetig keitsaxiomC2C 2 gefordert. In [S-TJ „elementarisieren" Szczerba und Tarski diese eben beschriebene Geometrie, indem sie wieder 2 durch das Schema der Stetigkeitsaxiome C 1 ersetzen. In [S-TJ findet man eine Axiomatisierung fur den 2 dimensionalenFall durch Axiome mit den folgenden Namen: R3R C2C (=( R3R R3R C2C A1: A2: A3: A4: A5: x ) identity axiom transitivity axiom connectivity axiom extension axiom Pasch's axiom Dort als deskriptive Geometrie bezeichnet. A6: A7: Desargues' axiom A8 upper dimension axiom elementary continuity axioms lower dimension axiom : A9: x dabei mit dem oben eingefiihrten Schema C gleichwertig. Szczerba und Tarski nennen die resultierende Geometrie „allgemeine affine Geometric" (= GA 2 ). Die Modelle dieses Axiomen 2 systemssind konvexe offene (nicht-leere) Teilmengen von R , wobei R ein reell abgeschlossener Korper ist. Im Spezialfall R = R sind die konvexen offenen Teilmengen genau die Modelle von GA 2 . Ist jedoch R#R,so 2 gibt es immer konvexe offene Teilmengen von R , die keine Modelle von 1 GA 2 sind. ) In [S-TJ blieb es ein offenes Problem, diejenigen offenen und konvexen Teilmengen von 2 zu charakterisieren, die Modelle von GA 2 sind. Wir werden im folgenden zeigen, daß dies in einem gewissen Sinne nicht moglich ist. Der Grund dafiir, daß bei dieser Geometrie im Gegensatz zu den vorher erwahnten die Modellklasse sich nicht verniinftig beschreiben laßt, liegt 1 an der unterschiedlichen Starke des Schemas C in den verschiedenen Geometrien. In alien betrachteten Geometrien laßt sich eine Koordina 1 tisierungmit einem geordneten Korper R vornehmen. Das Schema C erzwingt dann in den zuerst betrachteten Geometrien lediglich die Realisier barkeitrein korpertheoretisch definierbarer Schnitte, dies ist aber mit der reellen Abgeschlossenheit von R Equivalent. Im Falle der Geometrie GA 2 kann jedoch die „Gestalt" eines Modelles die Realisierung wesentlich komplizierterer Schnitte erzwingen. Dies kommt zum Ausdruck durch Das Schema A9 ist R2R das im 2. und Abschnitt zu beweisende. Charakterisierungslemma. Es sei R ein reell abgeschlossener Korper Sczß2 konvex und offen. S ist genau dann ein Modell von GA 2 , wenn in R jeder S-definierbare Schnitt realisiert ist. Dies soil heißen, daß fur je zwei Formeln (mit Parametern) a (r) und aus der Sprache eines angeordneten Korpers mit einem zusatzlichen 2-stelligen Pradikat fur S (das wir wie iiblich selbst wieder mit S bezeichnen) die folgende Aussage in (R, S) gilt: P 0) x ) Siehe [S - 7\] bzw. fur die Beweise [S - T 2 ]. Dieses Lemma zeigt, daß die „Kompliziertheit" der Menge S nicht die von R iiberschreiten darf, um Modell von GA 2 zu sein. Fur R = R sieht man damit sofort, daß jedes konvexe offene S ein Modell ist. Im 3. Abschnitt folgern wir aus diesem Zusammenhang dann den folgenden Satz iiber die Nicht-Charakterisierbarkeit : Satz. Es gibt keine Aussage p in der Sprache der geordneten Korper mit einem zusdtzlichen 2-stelligen Prddikat S, die genau die konvexen offenen Teilmengen ScR2 mit R reel! abgeschlossen charakterisiert (d.h. in (R, S) gilt), die Modelle von GA 2 sind. 2. Beweis der Charakterisierungslemmas Wir bedienen uns in diesem Abschnitt der Ausfuhrungen von SzczerbaTarski in [S-T 2 ], ohne sie jeweils im einzelnen zu zitieren. 2 Sei zuerst Sc offen und konvex, R reell abgeschlossen und in R sei jeder S-defmierbare Schnitt realisiert. Von den Axiomen von GA 2 bleibt dann fur S lediglich A9 d.h. C 1 zu zeigen. Es seien also die geo metrischen*) Formeln cp (x) und \jj (y) gegeben. Unter Ausschluß von trivialen Fallen konnen wir annehmen, daß cp und \j/ zwei nicht-leere Mengen auf einer Geraden durch Punkte x 0 y 0 mit cp (x 0) und \j/ (y 0 ) definieren. Fur die Koordinaten eines Punktes zeR2 schreiben wir immer (z f , z"). Es ist nun klar, daß das folgende Verfahren unter Benutzung der Parameterdarstellung der Punkte der Geraden durch 0 , y 0 einen S definierbarenSchnitt auf R beschreibt, dessen Realisierung in R mit der Realisierung des durch cp und \j/ in S definierten Schnittes gleichwertig ist. Man verandere folgendermaßen die Formeln cp und \j/: R2R xO,x alle Parameter a bzw. Variablen z werden durch (a', a") bzw. (z' z") ersetzt, (1) ? (2) entsprechend werden Quantifikationen Vzp und 3zp Vz'z"(S (z f , z") => p) bzw. 3zf z" (S (z', z") a p) ersetzt, die Primformeln B ((u r , u") (v r , v") (w , w")) 3 t(O<t<l AV = tu+ (l-t)w) 2 ), e (3) x ) ersetzt durch D.h. als einziger Grundbegriff tritt die Zwischenbeziehung B auf und die Quanti fikationlauft nur iiber Punkte. 2 werden durch ) Eine Gleichung a ? b meint naturlich die Konjunktion a' = b r A </ = b". sind (4) <p* f (x , x") bzw. \j/* wir schließlich (/,/') die resultierenden Formeln, so setzen Die Umkehrung bereitet erheblich großere technische Schwierigkeiten. a R konvex und offen, R reell abgeschlossen und außerdem S 1 ein Modell von GA 2 . Es gilt jetzt die Richtigkeit von C in Szu beniitzen, urn zu zeigen, daß in R jeder S-definierbare Schnitt realisierbar ist. Wir haben also eine Übertragung eines Schnittes von R in das Modell S vor zunehmenund miissen dort die arithmetischen Operationen geometrisch Sei dazu S beschreiben. klar, daß durch Anwendung von affinen Transformationen im die folgende Situation keine Beschrankung der Allgemeinheit darstellt: Es ist R2R 2 (i) die arithmetischen Formeln a und /? definieren unter Benutzung eines 2-stelligen Pradikates S zwei nicht-leere Teilmengen von R im Inter vall[0, I], (ii) die konvexe offene Menge S enthalt die Punkte e0 = (0, 0), Wir denken uns jetzt die affine Ebene 2 in die projektive Ebene P# eingebettet und bilden mit einer projektiven Transformation die uneigent licheGerade des 2 im P# auf die Gerade durch e^ und e^ ab, wobei e 0 in sich iiberfiihrt werden soil. Diese Abbildung kann fur (x r , x") eR2 etwa R2R / R2R durch / beschrieben werden. Die Abbildung bildet also den QuadrantenO <x',x" auf das Dreieck 0 , e^, e^ ab, das im Innern von S liegt. Insbesondere bildet /das Intervall [0, 1] von R auf die Strecke 0 , e ± ] in Sab 2). Damit liegen die /-Bilder des durch a und ft definierten Schnittes in S. Es bleibt also noch die Übersetzung der arithmetischen Operationen in die geo eO,e [eO,e metrischeSprache von S. Eine Gleichung a=b meint natiirlich die Konjunktion a / =b/ Aa" = b". ) Dabei wird wie iiblich R durch r \-> (r, 0) in 2 eingebettet. x) 2 R2R Da wir nur fur nicht-negative re R garantieren konnen, daß ihre /-Bilder in S liegen, ersetzen wir die Formeln a und /? durch gleichwertige Formeln (die wir wieder mit a und fi bezeichnen wollen), in denen jedoch nur iiber die Elemente aus Pr = {r e R r > 0} quantifiziert wird. Es ist klar, wie dies zu geschehen hat: statt von einem Korperelement r sprechen wir von einer Aquivalenzklasse (r l9 r 2 y/~ wobei fur r l9 r 29 s l9 s 2 eP definiert wird | 9 In den Formeln a und /? taucht jetzt natiirlich das urspriinglich 2-stellige Pradikat S als vierstelliges auf : Wir haben also statt (i) jetzt: a und p enthalten nur Quantifikationen iiber Elemente Parameter aus P, das vierstellige Pradikat S((r 9r 2 }, (s l9 s 2 }) aus P, und definieren nicht-leere Mengen im Intervall [0, I]. (i') die Formeln Sind nun r, im Quadranten 0 l teP gegeben, so laßt sich die Beziehung r < x' x" bekanntlich rein affin beschreiben: s9s 9 9 + st = t Wenden wir die projektive Abbildung / an, so wird daraus Bezeichnet dann x © y = z die folgende geometrische Formel so ist klar, daß gilt Analog laßt sich die Multiplikation O von Elementen aus rein geometrisch in S definieren. Es gilt dann Es 0, e^ > fehlt jetzt noch die Übersetzung von Wir suchen eine geometrische Formel o{x v x schaft: [eO,e 2\2 \y ,y 2 ) mit 1 der Eigen Die Formel a muß also in S ausdriicken, daß <x1?x 1? x 2 y und (y v y 2 y die /-Bilder der affinen Koordinaten <rlsr l5 r 2 y und <^i, eines Punktes aus S sind. Dabei genugt es natiirlich, wenn die analog zu ~ mit © in 0 , e^y gebildete Aquivalenz relationist. Nach Szczerba-Tarski [S-T 2 ], §5 laßt sich eine Formel K5K x l9 29 y l9 y 2 e S gerade besagt, 5 (z; x l9 x 2 ;y v y 2 ) angeben, die fur daß gilt, wobei « [eO,e z9z 9 x29x ist. Wir konnen also setzen. Nach diesen Ausfuhrungen diirfte klar sein, daß die folgende Über setzungsvorschriftfur die Formeln a und ft einen geometrisch definierten Schnitt auf 0 , e^\ liefert, dessen Realisierung in S eine Realisierung des urspriinglichen Schnittes auf [0, 1] nach sich zieht: [eO,e (1) ersetze in a Vxp bzw. 3xp durch 3x(B (e o^oo) Ax^e^Ap), w und u?v = w durch u ©v = w und p Quantifikationen Vx(B oo*o a x 9* e^ =>p) bzw. (2) ersetze die Teilformeln u + v = bzw. u Q v = w, (3) ersetze die Teilformeln S ((u i ,u 2 y,(y 1 ,v 2 y) durch g (u l9 u 2 ; v i9 v 2 ). (4) ersetze Parameter r durch /(r). 3. Die Nicht-Charakterisierbarkeit Wir wollen nun den im 1. Abschnitt formulierten Nicht-Charakteri sierbarkeitssatzbeweisen, indem wir ihn auf ein Resultat von R. Montague in [Ml zuriickfiihren. Dazu betrachten wir zuerst einen reell abgeschlossenen Korper R mit einer Teilmenge N, die die folgenden Bedingungen erfullen soil: OeN und reN '=> r + leN => (b) r seN,r <s (c) (\/reR, r>o) (3teN) t < r < t + (a) 9 r+l<s 1 Die Menge N enthalt dann alle naturlichen Zahlen, ist jedoch, falls R nicht-archimedisch ist, nicht eindeutig festgelegt. Mit Hilfe von N definieren wir die folgende Teilmenge S* von R 2 : wobei A t das Innere des Dreieckes mit den Eckpunkten (0, 0) = 0, mit Einschluß der offenen Strecke von 0 nach ut bezeichnet, Wegen (a)-(c) ist S* offensichtlich konvex und offen. Lemma. Es sei R reell abgeschlossen und N a R erfWile (a)-(c). Dann ist S* genau dann ein Modell yon GA 2 , falls in R jeder N-definierbare Schnitt realisiert ist. 1 ) Beweis. Dieses Lemma folgt unmittelbar aus dem Charakterisierungs lemma,wenn man beachtet daß nicht nur S5 mit Hilfe von N, sondern x Dies ist analog zu S-definierbar zu verstehen, d.h. jetzt darf in den definierenden ) arithmetischen Formeln a und S ein zusatzliches 1-stelliges Pradikat fur A^benutzt werden. auch umgekehrt N mit Hilfe von namlich fiir t e R, 0 < t S% definiert werden kann. Es gilt d.h. die Gerade durch (0, 0) und (t, 1) reicht in S* bis zum Rand des Kreises mit dem Radius 2. q.e.d. Wir konnen jetzt den Satz beweisen : Angenommen, es gabe eine Aussage p der Sprache der angeordneten Korper mit einem zusatzlichen 2-stelligen Pradikat fur S, so daß fiir Sc 2 mit S konvex und offen und R reell abgeschlossen S genau dann ein Modell von GA 2 ist, falls p in (R, S) gilt. Fur jedes N c R, das (a)-(c) erfiillt, heißt dies speziell R2R wobei man p* aus p erhalt, indem man die Definition von S* in p fur das Pradikat S einsetzt. p* hat jetzt das zusatzliche Pradikat N. Mit dem letzten Lemma erhalten wir dann : Ist R reell abgeschlossen und hat N <^ R die Eigenschaften (a)-(c), so ist genau dann in R jeder iV-defmierbare Schnitt realisiert, falls in (R, N) die einzelne Aussage p* gilt. Dies widerspricht jedoch Theorem 8 zusammen mit Theorem 6 in [M]. Montague zeigt namlich dort in Theorem 6, daß die Theorie der reell ab geschlossenenKorper R mit Teilpradikat N mit (a)-(c), in dem jeder i\f-deiinierbare Schnitt realisiert ist, „strongly semantically closed" ist. Nach Theorem 8 impliziert dies, daß das Schema der „reellen Abgeschlossen heit"zusammen mit endlich vielen anderen Aussagen (z.B. (a)-(c) und p*) nicht ausreicht, diese Theorie zu axiomatisieren. 4. 1. SCHLUSSBEMERKUNGEN Der eben bewiesene Satz laßt sich verscharfen zu Satz'. Es gibt keine Aussage p der schwachen 2. Stufe fiir angeordnete Korper mit zusdtzlichem 2-stelligen Pradikat S, so dass fiir konvexe offene Teilmengen ScR2 und R reell abgeschlossen S genau dann ein Modell von GA 2 ist, falls p in (R, S) gilt. Dabei meint „schwache 2. Stufe", daß auch Quantifikationen iiber endliche Folgen von Korperelementen zugelassen sind. Wir skizzieren den Beweis: Falls es eine solche Aussage p gabe, so wurde p insbesondere in (R, S^) gelten. Ersetzen wir S* in p durch seine Definition, so erhalten wir eine Aussage p* der schwachen 2. Stufe, die in (R, N) gelten wlirde. Aus Lemma 1 und 2 bei Apt in [A] laßt sich nun (mit einigem technischen Aufwand) folgern, daß es eine Zahl n > 2 gibt, so definierten reellen Zahlen einen reell abgeschlos daß die durch A R R bilden, in dem einerseits p* gelten wurde, der senenTeilkorper n von aber andererseits nicht alle N-definierbaren Schnitte realisiert. Damit miißte einerseits pin (R n , gelten, andererseits ist aber S^ nach dem Lemma im 3. Abschnitt kein Modell von GA 2 . Es sei noch bemerkt, daß die Lemmata 1 und 2 bei Apt unter der Vor aussetzungV = L bewiesen werden. Der Satz' behalt dann jedoch auch ohne diese Voraussetzung seine Giiltigkeit. s^) 2. Die Menge S^ wurde schon von Szczerba und Tarski beniitzt, um die Unentscheidbarkeit von GA 2 zu beweisen. Weiterhin wurde dieses Modell in Prestel-Szczerba [P-S] beniitzt, um zu zeigen, daß die Menge derjenigen Aussagen, die in alien Modellen von GA 2 liber R gelten (d.h. in 2 denen das Stetigkeitsaxiom der 2. Stufe gilt) nicht rekursive axioma tisiertwerden kann (also insbesondere großer als die Theorie GA 2 ist). Dies heißt insbesondere, daß das „Elementarisierungsverfahren" hier zu einer echt schwacheren Theorie fiihren muß. Schließlich wurde von Schwab hauserin [Sch] fur archimedisch geordnete, reell abgeschlossene Korper R eine Charakterisierung derjenigen S^ angekiindigt, die Modelle von GA 2 sind. Diese Charakterisierung folgt ebenfalls aus dem Lemma im 3. C2C Abschnitt. 3. Es bleibt eine Frage aus [S-TJ ungelost, namlich, ob GA 2 eine endlich axiomatisierbare Obertheorie besitzt. 4. Bei R. Fritsch und U. Friedrichsdorf mochte ich mich fiir viele informative und anregende Gesprache zu dem Thema dieser Arbeit bedanken. LITERATUR [A] Apt, K. R. Non-finite axiomatizability of the second order arithmetic. Bull. [C] Coxeter, H. S. M. Non-Euclidean geometry. Toronto 1942. Hilbert, D. Grundlagen der Geometrie. Leipzig 1913. Klingenberg, W. Grundlagen der Geometrie. Mannheim 1971. Acad. Polon. Sci. 20 (1972), 347-348. [H] [K] [M] Montague, R. Semantical closure and non finite axiomatizability I. In : Infinitistic [P-S] Prestel, A. and L. W. Szczerba. Non-axiomatizability of real general affine Methods, Warschau 1961, 286-302. geometry. Fund. Math. 104 (1979), 193-202. Schwabhauser, W. A class of undecidable models of general affine geometry. Abstract, presented at the Int. Congress on Logic, Methodology and Philosophy of Science, Hannover 1979. [S-TJ Szczerba, L. W. and A. Tarski. Metamathematical properties of some affine geometries. In : Logic, Methodology and Philosophy of Science, Proc. 1964 Int. Congress, Amsterdam 1965, 166-178. Metamathematical discussion of some affine geometries. Fund. Math. 104 [S-T 2 ] [Sch] (1979), 155-192. [S] [X] Szmielew, W. Some metamathematical problems concerning elementary hyper bolicgeometry. In : The axiomatic method with special reference to geometry and physics. Ed. L. Henkin, P. Suppes, A. Tarski, Amsterdam 1959, 30-52. Tarski, A. What is elementary geometry. In : The axiomatic method with special reference to geometry and physics. Ed. L. Henkin, P. Suppes, A. Tarski, Amsterdam 1959, 16-29. (Recu le 9 septembre 1980) Alexander Prestel Fakultat fiir Mathematik Universitat Konstanz Postfach 5560 West Germany