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Elimination der zus¨ atzlichen Parameter

Im Dokument Lambda-Strukturen und s-Strukturen (Seite 142-150)

7.3.1 Lemma. Sei M = hJEµ+1¯ ,∅, DMi eine pPλ-Struktur, f¨ur die N = S(M) = hJEν+1¯N,∅i existiert. Sei p∈[OnS(M)] mit der Eigenschaft, dass {ωµ}¯ Σ1(M) in pist.

Dann istων¯ Σ1(N)in dem gleichen Parameterp.

Beweis.

Fall 1: ωµ¯∈DM – D.h.,M||¯µist passiv, oder M||¯µist aktiv, abers+(M||¯µ) = ¯µ.

In diesem Fall istDM =DM||¯µ∪ {ωµ}.¯

Seienϕ(x, ~y) eine Σ1-Formel undp={η1, . . . , ηn}, so dass f¨ur jedesγ∈ |M|gilt:

γ=ωµ¯ ⇐⇒ M |=ϕ[(x/γ),(~y/η~)].

Indem man inϕjedes Auftreten von

”D(v)“ ersetzt durch˙

”( ˙D(v)∨v=z)“ f¨ur eine neue Variablez, erh¨alt man eine Formel ˜ϕ(x, ~y, z) mit der Eigenschaft:

M |=ϕ[(x/γ),(~y/~η)] ⇐⇒ h|M|, EM,∅, DM||¯µi |= ˜ϕ[(x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ)].

Setze: ¯E def= Eωµ,¯ Fdef= Eω¯µ und ¯Ddef= DM||¯µ. Unter Verwendung von Korollar 4.0.8 gilt:

M |=ϕ[(x/γ),(~y/~η)]

⇐⇒ h|M|, EM,∅,Di¯ |= ˜ϕ[(x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ)]

⇐⇒ h|M|,E, F,¯ Di¯ |= ¯Tλ( ˜ϕ)[(x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ),(v/|JE

¯

µ|),(w/ω¯µ)]

⇐⇒ ∃u∈ |M| (uist transitiv und

hu,E¯∩u, F∩u,D¯ ∩ui |= ¯Tλ( ˜ϕ)[(x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ),(v/|JE

¯

µ|),(w/ω¯µ)])

⇐⇒ ∃m < ω∃u (u=SE,Fm¯ (|M||µ| ∪ {|M¯ ||¯µ|})∧ hu,E, F,¯ Di¯ |= ¯Tλ( ˜ϕ)[(x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ),(v/|JE

¯

µ|),(w/ω¯µ)]).

Sei f¨ur m < ω f˙m ein Code f¨ur eine in ˙E,F˙ rudiment¨are Funktion, so dass f¨ur belie-bigee, f, a gilt: vale,f[ ˙fm](a) = Se,fm(a∪ {a})1 – es ist offensichtlich, dass solche Codes existieren. Seifm=valE,F¯ [ ˙fm].

Fixiere nunm < ω groß genug, damit gilt:

hSE,Fm¯ (|M||¯µ| ∪ {|M||¯µ|}),E, F,¯ Di |¯ = ¯Tλ( ˜ϕ)[(x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ),(v/|JE

¯

µ|),(w/ω¯µ)]),

wenn (und damit genau dann, wenn)γ=ωµ¯ist. Es sei bemerkt, dass|JEµ+1¯ |der Abschluss von |JEµ¯| ∪ {|JEµ¯|} unter in ¯E, F und ¯D rudiment¨aren Funktionen ist. Man braucht nur in ¯E und F rudiment¨are Funktionen, wie in Lemma 4.0.5 gezeigt wurde. Durch die Verwendung vonfDM||¯µ erh¨alt man aber nicht mehr, da ¯D als in JEµ¯ definierbare Menge ein Element von|JEµ+1¯ |ist.

Es gilt:

M |=ϕ[γ, ~η]

⇐⇒ h|M|,E, F,¯ Di¯ |= ¯Tλ( ˜ϕ)[(x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ),(v/|JE

¯

µ|),(w/ω¯µ)]

⇐⇒ h|M|,E, F,¯ Di¯ |= ¯Tλ( ˜ϕ)hfm(|M||¯µ|),E,F,D¯ M||¯µi[(x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ), (v/|JE

¯

µ|),(w/ω¯µ)]

⇐⇒def h|M|,E, F,¯ Di¯ |=ψ[(v0/fm(|M||¯µ|)),(v1/E¯),(v2/F),(v3/D¯), (x/γ),(~y/~η),(z/ω¯µ),(v/|JE

¯

µ|),(w/ω¯µ)].

Hierbei bezeichnetϕhw,x,y,zidie Relativierung vonϕnachhw, x, y, zi.ϕist eine Formel der Sprache mit den zus¨atzlichen Symbolen ˙D,E˙ und ˙F, welche in der Relativierung durchx, y bzw.zersetzt werden. Es entsteht eine Σ0-Formel der Sprache ohne zus¨atzliche Symbole.

Die obige Formel gilt also genau dann inh|M|,E, F,¯ Di, wenn¯ γ=ωµ¯ist. Wenn man dies

1Se,fm ist hier diem-fache Hintereinanderausf¨uhrung der FunktionSe,f, also der nache, frelativierten Version der FunktionSaus [Jen72].

einsetzt, erh¨alt man:

⇐⇒ h|M|,E, F,¯ Di¯ |=ψ[(v0/valE,F,¯ D¯[fm](|M||¯µ|)),(v1/valE,F,¯ D¯[fE˙](|JEµ¯|)), (v2/valE,F,¯ D¯[fF˙](|JEµ¯|)),(v3/valE,F,¯ D¯[fD˙](|JE¯µ|)), (x/valE,F,¯ D¯[cOn](|JEµ¯|)),(~y/~η),(z/ω¯µ),(v/|JE

¯

µ|),(w/ω¯µ)]

⇐⇒ M||¯µ |=TD,˙ E,˙ F˙(ψ, v0,f˙m,Φ, v1, fE˙,Φ, v2, fF˙,Φ, v3, fD˙,Φ, x, cOn,Φ, w, cOn,Φ)[(~y/~η)]

⇐⇒def M||¯µ |=χ[(~y/~η)].

Es wurde hier von der in Lemma 4.0.4eingef¨uhrten FunktionTD,˙ E,˙ F˙ Gebrauch gemacht.

Vgl. auch Lemma 4.0.6 zur Bedeutung voncOn.

(2) ¯µist die kleinste Ordinalzahlδ mit der Eigenschaft:

ωδ∈DM und(M||δ)|=χ[(~y/~η)].

(Somit istµ¯die einzige Ordinalzahl mit dieser Eigenschaft, denn esωµ¯ist die gr¨oßte Limeszahl vonM).

Beweis von (2). Es ist klar, dassδ= ¯µdiese Eigenschaft hat. Es bleibt die Minimalit¨at zu zeigen. Angenommen, δ < µ¯ erf¨ullte ebenfalls ωδ ∈ DM und (M||δ) |= χ[~η]. Nach Definition vonχerh¨alt man mit ˜Edef= Eωδ, ˜F def= Eωδ und ˜Ddef= DM||δ:

(M||δ) |=χ[~η]

⇐⇒ (M||δ) |=TD,˙ E,˙ F˙(ψ, v0,f˙m,Φ, v1, fE˙,Φ, v2, fF˙,Φ, v3, fD˙,Φ, x, cOn,Φ, w, cOn,Φ)[(~y/~η)]

⇐⇒ h|M||δ+ 1|,E,˜ F ,˜ Di˜ |=ψ[(v0/valE,˜F ,˜D˜[fm](|M||δ|)),(v1/valE,˜F ,˜D˜[fE˙](|JEδ|)), (v2/valE,˜F ,˜D˜[fF˙](|JEδ|)),(v3/valE,˜F ,˜D˜[fD˙](|JEδ|)), (x/valE,˜F ,˜D˜[cOn](|JEδ|)),(~y/~η),(z/ωδ),(v/|JE

δ|),(w/ωδ)]

⇐⇒ h|M||δ+ 1|,E,˜ F ,˜ Di˜ |= ¯Tλ( ˜ϕ)hf

m(|M||δ|),E,˜F ,˜Di˜ [(x/ωδ),(~y/~η),(z/ωδ), (v/|JE

δ|),(w/ωδ)].

Also gilt

h|M||δ+ 1|,E,˜ F ,˜ Di |˜ = ¯Tλ( ˜ϕ)[(x/ωδ),(~y/η~),(z/ωδ),(v/|JE

δ|),(w/ωδ)],

und das heisst:

h|M||δ+ 1|, Eω(δ+ 1),Di |˜ = ˜ϕ[(x/ωδ),(~y/~η),(z/ωδ)].

Bemerkung:Daωδ∈DM, istDM||δ+1=DM||δ∪ {ωδ}= ˜D∪ {ωδ}. Denn sonst m¨ussteδ einen Extender inM indizieren, so dasss+(M||δ)< ωδ ist. Aber dann w¨areωδ /∈DM. Somit besagt die letzte Zeile gerade:

(M||δ+ 1)|=ϕ[(x/ωδ),(~y/~η)].

Aber mitu=|M||δ+ 1|istM||δ+ 1 =M|u, dennωδ∈DM, alsoDM||δ =DM∩ωδ, und DM||δ+1 =DM||δ∪ {ωδ}, also DM||δ+1 =DM ∩ω(δ+ 1). Also folgt hieraus, dass auch M |= ϕ[ωδ, ~η], da ϕ als Σ1-Formel persistent ist. Nach Voraussetzung heisst dies aber, dassδ= ¯µist, im Widerspruch zu der Annahme, dassδ <µ¯ist. 2(2)

Im folgenden verwenden wir die FunktionenfolgehfγN |γ <ht(N)iaus Korollar 5.3.2. Sei N =hJEν+1¯N,∅i. Wir erhalten:

(3) ¯ν ist die kleinste Ordinalzahlδmit den folgenden Eigenschaften:

(a) N||δ ist passiv, oder:

N||δ ist aktiv undOn

Nd||δ = OnN||δ. (b) (N||δ)|=fδN(χ)[~η, δ−1].˙

Es existiert also eine Σ1-Formel χ, so dass f¨˜ ur alleγ gilt:

¯

ν=γ ⇐⇒ N |= ˜χ[γ, ~η].

Beweis von (3). Zur Minimalit¨at: (N||δ)|=fδN(χ)[~η, δ−1] heisst gerade˙ Λ(N||δ)|=χ[~η].

Sei Λ(N||δ) =M||δ0f¨ur einδ0≤µ. Um (2) verwenden zu k¨¯ onnen, werden wir zeigen, dass ωδ0∈DM ist:

Da S(M||δ0) ein Segment von S(M) ist, kann Lemma 3.1.3 angewandt werden. Man erh¨alt:

(∗) Es existiert keinµ≤ht(M), so dasss+(M||µ)≤ωδ0< µist.

Angenommen, ωδ0∈/DM. Sei dannωµ∈ |M|mit (∗∗) s+(M||µ)< ωδ0≤µ.

Dann ist ωδ0 6=µ, denn sonst w¨are nach (a) M||δ0 aktiv und s+(M||δ0) = ωδ0, im Wi-derspruch zu (∗∗). Also ists+(M||µ)< ωδ0< µ, im Widerspruch zu (∗). Dies zeigt, dass ωδ0 ∈DM ist.

Nach (2) heisst dies aber, dass δ0= ¯µsein muss, und das bedeutet, dassδ= ¯ν ist.

F¨ur die Formulierung dieser Minimalit¨atseigenschaft als Σ1-Formel verwendet man zum einen die Tatsache, dasshfγN |γ <ht(N)i, aufgefasst als dreistellige Relation, Σ1(N) ist – vgl. 5.3.2(d). Zum anderen ¨uberlegt man sich leicht, dass sich die Aussage On

Nd||δ ⊆ OnN||δ durch eine Σω-Formel ¨uberN||δausdr¨ucken l¨asst. Grob gesagt heisst dies n¨amlich gerade (mitF0=EωδN):

N||δ|=∀f ∈crit(F0)nτ(F0)∀~α < s(F0)∃β ≺β, ~α ∈F0({ ≺ξ, ~δ<crit(F0)|ξ=f(~δ)}).

2(3)

Also ist ¯ν in N Σ1-definierbar aus~η, also auch ω¯ν, was zu zeigen war.

Fall 2: ωµ /¯∈DM. Das heisst,M||µ¯ist aktiv unds+(M||µ)¯ <µ.¯

Der wesentliche Unterschied zum ersten Fall ist, dassDM in einem anderen Verh¨altnis zu DM||¯µ steht. Wie man leicht ¨uberpr¨uft, gilt n¨amlich:

(∗) SeiM||γaktiv undωγ /∈DM. Dann istDM||γ+1=DM||γ∩(s+(M||γ)+1) =DM||γ. Sei ¯E=Eωµ,¯ F=Eω¯µ und ¯D=DM.

Wir schreiben im folgenden s+(γ) f¨ur s+(M||γ).

Wir argumentieren wie in Fall 1, brauchen aber nicht den Umweg ¨uber ˜ϕzu gehen, umχ zu definieren, da jetzt ¯D =DM ist. Somit entf¨allt auch die Einf¨uhrung der neuen freien Variablez. Wenn wir die in diesem Fall entstehende Formel mitχ0bezeichnen, liefern die Uberlegungen aus Fall 1 modulo dieser Ver¨¨ anderungen:

M |=ϕ[ωµ, ~¯ η] ⇐⇒ h|M||µ|,¯ E, F,¯ Di |¯ =χ0[(~y/~η)].

Damit wir dies ¨uber M||µ¯ ausdr¨ucken k¨onnen (es ist ja ¯D = DM), m¨ussen wir in χ0 noch jedes Auftreten von

”D(v)“ ersetzen durch˙

”D(v)˙ ∧v≤z“, wobei f¨ur die neue freie

Variablezdanns+(¯µ) einzusetzen ist. Bezeichne das Ergebnis dieser Modifikation mit ˜χ0. Also:

M |=ϕ[ωµ, ~¯ η] ⇐⇒ M||¯µ|= ˜χ0[(~y/~η),(z/s+( ¯µ))].

Man erh¨alt anstelle von (2):

(2’) ¯µist das minimale δmit den folgenden Eigenschaften:

(a) M||δ ist aktiv und δ > s+(δ)∈DM. (b) M||δ|= ˜χ0[~η, s+(δ)].

Beweis. Wie im Beweis von (2) ist es offensichtlich, dassδ= ¯µdiese Eigenschaften hat.

Zur Minimalit¨at: Angenommen,δ <µ¯h¨atte diese Eigenschaften ebenfalls. Dann erhielten wir mit ˜Edef= Eωδ, ˜F def= Eωδ und ˜Ddef= DM||δ+1:

(M||δ) |= ˜χ0[~η, s+(δ)]

⇐⇒ h|M||δ|,E,˜ F ,˜ Di˜ |=χ0[~η]

⇐⇒ M||δ+ 1 |=ϕ[ωδ, ~η],

wie zuvor – man verwendet hier, dass nach (∗)DM||δ+1=DM||δ∩(s+(δ) + 1) ist.

Mitudef= |M||δ+ 1|ist aber wiederM||δ+ 1 =M|u:

Nach Voraussetzung ists+(δ)∈DM. Also besagt Lemma 2.2.14, dassω(δ+ 1)∈DM ist;

es besagt sogar, dass dies das n¨achstgr¨oßere Element von DM nach s+(δ) ist. Also gilt nach Koh¨arenz:

DM∩ω(δ+ 1) =DM||δ+1, und das ist es, was wir brauchen.

Daϕ eine Σ1-Formel ist, gilt also nach Persistenz:M |=ϕ[ωδ, ~η], d.h. wir erhalten den

Widerspruchδ= ¯µ > δ. 2(20)

Entsprechend erh¨alt man:

(3’) ¯ν ist die kleinste Ordinalzahlδmit den folgenden Eigenschaften:

(a) N||δ ist aktiv undOn

Nd||δ 6= OnN||δ.

(b) (N||δ)|=fδ( ˜χ0)[~η, δ−1˙

|{z}

0

].

Es existiert also eineΣ1-Formelχ, so dass f¨ur alleγ gilt:

¯

ν=γ ⇐⇒ N|=χ[γ, ~η].

2

Nun kommen wir zu der Umkehrung dieses Lemmas:

7.3.2 Lemma. SeiN =hJEν+1¯ ,∅ieine pPs-Struktur, f¨ur dieM = Λ(N) =hJEµ+1¯M,∅, Di existiert. Seip∈[OnN] mit der Eigenschaft, dass{ων}¯ Σ1(N)inpist. Dann ist{ωµ}¯ Σ1(M)in dem gleichen Parameterp.

Beweis. Seienϕeine Σ1-Formel undp={η1, . . . , ηn}, so dass f¨ur jedesγ∈ |N|gilt:

γ=ων¯ ⇐⇒ N |=ϕ[γ, ~η].

Es gilt:

N |=ϕ[γ, ~η]

⇐⇒ ∃u∈ |N| (uist transitiv undhu, E∩u,∅i |=ϕ[γ, ~η])

⇐⇒ ∃m < ω∃u (u=SmEω¯ν,Eω¯µ(|N||¯ν| ∪ {|N||¯ν|}) ∧ hu, E∩u,∅i |=ϕ[γ, ~η]).

Fixiere f¨ur jedes m < ω einen Code ˙fm f¨ur Funktionen, die rudiment¨ar in ˙E,F˙ sind, so dass f¨ur alleaund beliebige Mengene, f gilt:Se,fm(a) =vale,f[ ˙fm](a).

Sei nunm∈ω groß genug gew¨ahlt, damit gilt:

hSEmω¯ν,Eω¯ν(|N||ν| ∪ {|N¯ ||¯ν|}), E∩SEmω¯ν,Eω¯ν(|N||¯ν| ∪ {|N||ν|}),¯ ∅i |=ϕ[ων, ~¯ η]).

Dann gilt mit ¯Edef= Eων,¯ Fdef= Eω¯ν undγ=ω¯ν:

N |=ϕ[γ, ~η]

⇐⇒ h|N|,E, F¯ i |= ¯Ts(ϕ)[γ, ~η,|JE¯ν|, ω¯ν]

⇐⇒ h|N|,E, F¯ i |= (hfm(|N||¯ν|),E, F¯ i |= ¯Ts(ϕ)[γ, ~η,|JEν¯|, ων])¯

⇐⇒ h|N|,E, F¯ i |= ( ¯Ts(ϕ)hfm(|N||¯ν|),E,F¯ i[γ, ~η,|JEν¯|, ω¯ν]

| {z }

ψ[fm(|N||¯ν|),E,F,ω¯¯ ν,~η,|JEν¯|]

)

⇐⇒ h|N|,E, F¯ i |=ψ[(v0/valE,F¯ [ ˙fm](|JEν¯|)),(v1/valE,F¯ [ ˙fE](|JE¯ν|)),(v2/valE,F¯ [ ˙fF](|JEν¯|)), (v3/valE,F¯ [cOn](|JE¯ν|)),(w~/~η),(v4/valE,F¯ 10](|JE¯ν|))]

⇐⇒ (N||¯µ) |=TE,˙ F˙(ψ, v0,f˙m,Φ, v1,f˙E,Φ, v2,f˙F,Φ, v3, cOn,Φ, v4, π10,Φ)[(w~/~η)]

⇐⇒def (N||¯ν) |=χ[(w~/~η)].

s ist die Funktion aus Korollar 4.0.10, und TE,˙ F˙ ist die Funktion aus Lemma 4.0.4.

Letzteres Lemma wurde auch im ¨Ubergang von der f¨unften zur sechsten Zeile verwendet.

(2) ¯ν ist die kleinste Ordinalzahlδmit der Eigenschaft (N||δ)|=χ[~η].

Beweis von (2). Es ist klar, dassδ= ¯µdiese Eigenschaft hat. Es bleibt die Minimalit¨at zu zeigen. Angenommen,δ <µ¯erf¨ullte sie auch. Indem man die vorhergehende Kette von Aquivalenzen r¨¨ uckw¨arts durchgeht, erh¨alt man mit ˜Edef= Eδ und ˜F def= Eωδ:

(N||δ) |=χ[~η]

⇐⇒ (N||δ) |=TE,˙ F˙(ψ, v0,f˙m,Φ, v1,f˙E,Φ, v2,f˙F,Φ, v3, cOn,Φ, v4, π10,Φ)[(w~/~η)]

⇐⇒ h|N||δ+ 1|,E,˜ F˜i |=ψ[(v0/valE,˜F˜[ ˙fm](|JEδ|)),(v1/valE,˜F˜[ ˙fE](|JEδ|)), (v2/valE,˜F˜[ ˙fF](|JEδ|)),(v3/valE,˜F˜[cOn](|JEδ|)), (w~/~η),(v4/valE,˜F˜10](|JEδ|))]

⇐⇒ h|N||δ+ 1|,E,˜ F˜i |= ¯Ts(ϕ)hf

m(|N||¯ν|),E,F¯ i[ωδ, ~η,|JEδ |, ωδ].

Also gilt

N||δ+ 1|=ϕ[ωδ, ~η].

Aber mit u = |N||δ + 1| ist N||δ + 1 = N|u, und somit folgt hieraus, dass auch N |=ϕ[ωδ, ~η], da ϕeine Σ1-Formel ist. Nach Voraussetzung heisst dies aber, dass δ= ¯ν ist, im Widerspruch zu der Annahme, dassδ <ν¯ ist. 2(2)

(3) ¯µist die kleinste Ordinalzahlδ mit den Eigenschaften:

(a) C˜0(M||δ)|=g(χC˜0(M||δ))[~η, δ−1]. (Zur Definition von˙ g vgl. Lemma 5.2.3.) (b) ωδ∈DM, oder:

M||δ ist aktiv unds+(M||δ)∈DM. Dies l¨asst sich formulieren als

M |= ˜χ[γ, ~η], wobei χ˜ eineΣ1-Formel ist.

Beweis von (3). Dies folgt aus (2). Die Bedingung (b) besagt gerade, dassS(M||δ) ein

Segment von N ist. 2(3)

Also ist ¯µ(und somit auchωµ) in¯ M Σ1-definierbar aus ~η, was zu zeigen war. 2

Im Dokument Lambda-Strukturen und s-Strukturen (Seite 142-150)