选择公理

(Si) 是一个以实数集R为指标集的集族；也就是说，对每一个实数i，均存在一个集合 Si，如图所示。每一个集合包含至少一个（可能是无限个）元素。选择公理可以断言，我们可以从每一个集合中选择一个元素，组成一个在R上的索引族(xi)，这里xi∈Si，i∈R。一般情况下，指标集可以是任意集合I，而不仅仅是R。
选择公理（Axiom of Choice，缩写AC）是数学中的一条集合论公理，用来证明一些难以明确构造的物件的存在性。选择公理最早于1904年，由恩斯特·策梅洛为了证明良序定理而作为一条公理加入。
非正式地说，给定一些盒子（可以是无限个），每个盒子中都含有至少一个小球，这时选择公理相当于是在说——可以从每个盒子里拿出一颗球。在很多情况下这样的选择并不需要借助选择公理；尤其是在「盒子个数有限」或「盒子内的球具有额外的特征」这两种情况下，经常可以直接指明选择的方式。关于“存在具体的选择方式”可以透过以下例子理解：假设有许多（甚至是无限）双鞋子，则可以选取每双鞋左边的鞋子构成一个具体的选择，由于在鞋子之中“存在具体的选择规则”(左边的鞋子不同于右边的鞋子)，所以即使没有选择公理也依然可以做出具体的选择。但是，如果把鞋子改成袜子，且每双袜子都没有可区分的特征，在这种情况下，「选择的存在性」只能通过选择公理得到。
尽管曾经具有争议，选择公理现在已经被大部份数学家毫无保留地使用着，例如带有选择公理的策梅洛-弗兰克尔集合论（ZFC）。数学家们使用选择公理的原因是，有许多被普遍接受的数学定理，比如是吉洪诺夫定理，都需要选择公理来证明。现代研究集合论的数学家也研究与选择公理相矛盾的公理，例如决定公理。
在一些构造性数学的理论中会避免选择公理的使用，不过也有的将选择公理包括在内。

**陈述**
首先定义几个概念：
集族：指由非空集合组成的集合。
选择函数：它是一个集族上的函数。它规定：对于所有在集族中的集合，是的一个元素。
那幺，选择公理表示：
对于所有的集族，均存在选择函数。
上述可表示为：

或者：
设是一个集族，则存在着在上定义的一个选择函数。
该定理也可表达为：
集族上的任意笛卡尔积总是非空的。

**变体**
第二个版本的选择公理声称：
给定由相互不交的非空集合组成的任何集合，存在着至少一个集合，它与每个非空集合恰好有一个公共元素。
第三个版本声称：
对于任何集合，的幂集（减去空集）有一个选择函数。
使用这个版本的作者通常谈及“在上的选择函数”，但要注意这里选择函数的概念是稍微不同的。它的定义域是的幂集（减去空集），因此对任何集合有意义；至于本文中其他地方用的定义，在“集合的搜集”上的选择函数的定义域是这个搜集，所以只对集合的集合有意义。透过这个变体的定义，选择公理也可以简洁的陈述为
所有集合有一个选择函数。
它等价于
对于任何集合有一个函数使得对于的任何非空子集，。
而选择公理的否定表达为：
有一个集合使得对于所有函数（在的非空子集的集合上），有一个使得。

**术语（AC，ZF，ZFC）**
以下列出了这篇条目中各种与“选择公理”相关的缩写：- AC：选择公理。- ZF：策梅洛-弗兰克尔集合论，不包括选择公理。- ZFC：策梅洛-弗兰克尔集合论，包括选择公理。

**使用**
直到19世纪晚期，选择公理的使用一直都没有得到明确声明。例如，建立了只包含非空集合的集合之后，当时的数学家可能会直接说「设对于中所有有是的成员之一」。一般来说，要是不用选择公理，是不可能证明的存在性的。这一点直到策梅洛之前似乎没有引起人们的注意。
不是所有的情况都需要选择公理。选择公理对于那些没有可定义的选择才有必要。值得指出的是，对于有限集合，选择公理的有限版本可以通过其他集合论公理推导得出。在这种情况下，它等价于说我们有多个（有限数目的）盒子，每个包含至少一个物体，则我们可以从每个盒子恰好选择一个物体。显然我们可以这幺做：从第一个盒子开始，选择其中的一个物体；到下一个盒子，选择一个物体；如此类推。因为盒子数量有限，所以我们的选择过程最后一定会结束。这里给出的选择函数是明确的：第一个盒子对应于第一个选择的物体，第二个盒子对应于第二个选择物体；如此类推——此法之所以可行，是因为序对公理的原因。可以通过数学归纳法做出对所有有限集合的形式证明。

**例子**
对于特定的无限集合，也可以避免使用选择公理。例如，假设的元素是自然数的集合。每个自然数的非空集合都有一个最小的自然数，所以只要简单的把每个集合映射到这个集合内最小的数字，就得到了选择函数。这使得我们可以从每个集合明确地选择元素，以及写出一个明确的表达式，说明我们的选择函数如何取值。在能够指定一个明确选择方式的时候，选择公理都是没有必要的。
当缺乏从每个集合得到元素的直观选择方式时，困难就出现了。如果不知道选择的方式，那要怎么确认选择函数的存在？例如，假设X是实数的所有非空子集的集合。第一个可能产生的思路是套用有限的情况去处理。如果尝试从每个集合选择一个元素，那幺，因为实数集合是无限不可数，所以选择的过程永远不会结束。也因为如此，永远不能构造出对的成员的选择函数。所以这种方法不能奏效。第二个可能产生的思路是尝试给每个集合指定最小元素，但是很多实数的子集没有最小元素。例如，开区间没有最小元素：如果在中，则也在其中，而总是严格的小于。所以这种方法也不行。
我们之所以能够从自然数的非空子集选择最小元素，是因为自然数上有一个良序：所有自然数的非空子集都有一个唯一的最小元素。
因此，第三个思路，「即使实数的正常排序方式不是良序，是不是也能找到一个排序使得实数是良序的？」。如果真的有这种排序方式，那就能够选择实数非空子集的最小元素，从而得到了选择函数——然而问题就变成如何构造这样的排序。而事实上，“存在一个排序使得所有集合是良序的”等价于选择公理。
有必要用到选择公理的证明总是非构造性的，即使证明给出了一个对象，精确地说出那个对象却是不可能的。如果不能写出选择函数的定义，那这个选择到底是什么？这是一些数学家不喜欢选择公理的理由之一。例如，构造主义者论断说所有涉及存在性的证明都应当是完全明确的；构造任何存在的对象应当是可能的。他们拒绝选择公理time=2007-10-16T10:04:29Z，因为它断言了「不能具体描述的对象」存在。

**构造性数学**
像上面讨论的那样，在ZFC中，选择公理能为一个不能明确构造出的对象给出“非构造性证明”来证明其存在性。然而，ZFC依然是在经典逻辑下被形式化的。在构造性数学领域，选择公理仍被深入研究，而当中应用的是非古典逻辑。在构造性数学的不同版本中，选择公理的状况也有所差别。
在直觉类型论和高阶的Q5548813中，选择公理的适当陈述（按照推导方式）可以是作为一个公理，又或者作为一个可证明的定理。Errett Bishop认为选择公理可被视作是构造性的：
但在构造性集合论中，迪亚科内斯库定理表明选择公理蕴涵了排中律（在直觉类型论中，选择公理不蕴涵排中律）。因此选择公理在构造性集合论中并非普遍被接受。在类型论中的选择公理与在构造性集合论中的选择公理的区别是，前者不具有外延性而后者具有。
一些构造性集合论的结果用到了可数选择公理或依赖选择公理，这两个公理在构造性集合论内并不蕴涵排中律。尽管可数选择公理在构造性数学中的应用特别广泛，它的使用也受到质疑。

**强形式公理**
可构造性公理与连续统假设都蕴涵了选择公理，更准确地说，两者都严格强于选择公理。在类理论中，如冯诺伊曼-博内斯-哥德尔集合论和Morse–Kelley集合论，存在一个叫全局选择公理的公理，它比选择公理要强，因其同时也适用于真类。全局选择公理可由大小限制公理推出。

**结论**
哥德尔证明了选择公理与ZF的相对协调性。保罗·寇恩用力迫法证明了选择公理独立于ZF。

**参考文献**

**引用**

**来源**
 Ernst Zermelo, "Untersuchungen über die Grundlagen der Mengenlehre I," Mathematische Annalen 65: (1908) pp. 261-81.  PDF download via digizeitschriften.de
 Translated in: Jean van Heijenoort, 2002. From Frege to Godel: A Source Book in Mathematical Logic, 1879-1931. New edition. Harvard Univ. Press. ISBN 978-0-674-32449-7.- 1904. "Proof that every set can be well-ordered," 139-41.- 1908. "Investigations in the foundations of set theory I," 199-215.- Gregory H Moore, "Zermelo's axiom of choice, Its origins, development and influence", Springer; 1982. ISBN 978-0-387-90670-6.- Paul Howard and Jean Rubin, "Consequences of the Axiom of Choice". Mathematical Surveys and Monographs 59; American Mathematical Society; 1998.

**外部链接**
  Paul Howard at EMU date=20210226235056 有很多人仍然在为选择公理和它的推论而乐此不疲地工作。如果你有兴趣了解更多内容，请参考这个网站。

**参见**
 集合论- 佐恩引理- 良序定理- 吉洪诺夫定理- 策梅洛-弗兰克尔集合论- 冯诺伊曼-博内斯-哥德尔集合论- 全局选择公理- 可数选择公理- 连续统假设- 排中律- 直觉类型论