Бесчисленное поддается подсчету. Кантор. Бесконечность в математике. - Gustavo Pineiro

Тот, кто хоть раз испытал на себе очарование личности Кантора, знает, что он полон проницательности, темперамента, изобретательности и оригинальности.

Артур Мориц Шенфлис (1853-1928), немецкий математик

Однако в конце 1880-х годов Кантор и его коллеги, среди которых знаменитый геометр Феликс Клейн (1849-1925), заметили, что хотя с момента объединения страны прошло уже почти 20 лет, в отдельных регионах еще сохранялась зависть к соседям, мешавшая плодотворному сотрудничеству. Поэтому многие ученые увлеклись идеей создания общества, которое объединило бы всех немецких математиков. Этот проект обрел реальные черты в 1890 году, а Кантор стал первым президентом новой ассоциации.

Открытие Немецкого математического общества состоялось в сентябре 1891 года, и в знак примирения со старым врагом Кантор лично пригласил Кронекера прочитать лекцию.

Тот принял приглашение, но, к сожалению, не смог приехать, так как в августе его жена стала жертвой несчастного случая и спустя месяц умерла. Кронекер пережил ее не намного: его не стало 29 декабря того же года.

В 1890-е годы Кантор, выздоровевший и примирившийся с научным сообществом, возобновил свои математические исследования. Их результатом стала публикация двух статей — последних, которые он отправил в печать при жизни. Первая называлась Über eine elementare Frage der Mannigfaltigkeitslehre («Об одном элементарном вопросе учения о многообразиях») и была опубликована в 1892 году в первом ежегодном альманахе Немецкого математического общества.

Вторая статья стала одной из самых известных и была издана в двух частях: первая в 1895-м, а вторая в 1897 году. Обе вышли в журнале «Математические анналы» под заголовком Beiträge zur Begründung der transfiniten Mengenlehre («К обоснованию учения о трансфинитных множествах»).

В диаметре Алеф имел два-три сантиметра, но было в нем все пространство Вселенной, причем ничуть не уменьшенное.

Из рассказа «Алеф» Хорхе Луиса Борхеса

Проанализируем содержание этих статей, но в обратном хронологическом порядке.

Историк Хосе Феррейрос совершенно справедливо утверждает, что теория трансфинитных множеств — это «научное завещание Кантора». Действительно, в этой работе ученый использует все основные понятия своей теории бесконечности, в частности кардинальных и ординальных чисел, и изучает их свойства и взаимоотношения.

Одним из нововведений стало обозначение бесконечных кардинальных чисел (мощностей) алефом, א. Это первая буква еврейского алфавита. Первое бесконечное кардинальное число, соответствующее множеству натуральных чисел, как любое другое счетное множество, Кантор назвал X0 (читается «алеф-нуль»);

(далее в тексте алеф заменяется на X)

X1— второе бесконечное кардинальное число, X2 — третье и так далее. Следовательно, множество всех ординальных чисел первого класса, то есть всех натуральных чисел, имеет мощность X0 .  Добавив ординалы второго класса, мы получим мощность X1, третьего класса — множество с мощностью X2 и так далее (см. рисунок). После этого замечания вопрос о том, верна ли континуум-гипотеза, то есть верно ли предположение Кантора, что промежуточной мощности между мощностью натуральных и вещественных чисел не существует, видоизменяется: равна ли мощность вещественных чисел X1? (Обратим внимание, что меньшая бесконечная мощность — это X0, а непосредственно за ней идет X1 ; мы также знаем, что мощность вещественных чисел не равна X0 потому что они несчетны; поэтому, если она не равна X1, единственная альтернатива — что она больше этого значения.)

Каждый раз, добавляя целый следующий класс ординальных чисел, мы непосредственно переходим к следующему кардинальному числу.

Последовательность алефов начинается с X2 ,X1 ,X0,,... Но сколько их всего? Каждому натуральному числу соответствует один алеф и, следовательно, они счетные? На самом деле нижние индексы — ординальные числа. После бесконечного числа Xn, где n — все натуральные числа, идут  Xω+1, Xω+1, ..., Xω+ω, Xω+ω+1,... и так далее. Значит, ответ на вопрос таков: бесконечных кардинальных чисел столько же, сколько ординальных (всех классов).

В своем «Обосновании» Кантор опирается на работу Дедекинда 1887 года, хотя и не ссылается на нее открыто. Как и Дедекинд, он считает, что натуральные числа — кардиналы конечных множеств, а их сумма получается посредством объединения. Однако Кантор распространил эту идею и на бесконечные кардинальные числа и открыл область, которую назвал трансфинитной арифметикой. С точки зрения теории множеств 1 + 1 = 2 означает, что если мы объединим два разных множества с мощностью каждого, равной 1, то получим множество с мощностью 2. Можно выразить это другим способом, сказав, что если к множеству с мощностью 1 мы прибавим еще один объект, то результатом будет множество с мощностью 2. Следуя логике этих рассуждений, если к натуральным числам (с мощностью X0 ) прибавить число -1, мы получим множество -1, 0, 1, 2, 3, 4,..., эквивалентное множеству натуральных чисел и, следовательно, имеющее мощность X0 (напомним, что два эквивалентных множества равномощны). Итак, прибавляя новый объект к множеству мощностью X0 , мы получим другое множество с мощностью X0 ; говоря языком трансфинитной арифметики, X0 + 1 = X0 (см. рисунок 3).

Аналогично мы можем доказать, что если к множеству с мощностью X0 прибавить два объекта, то результатом опять будет множество мощностью X0 , то есть X0 + 2 = X0 ; это же справедливо и для X0 +3 = X0 и X0 + 4= X0 , и так далее для всех натуральных чисел. Эти равенства свидетельствуют о том, что если к счетному множеству прибавить конечное количество объектов, мы снова получим счетное множество.

Что происходит с X0 + X0 ? Другими словами, какую мощность мы получим, объединив два счетных множества? В «Основаниях·» Кантор доказал, что объединением двух счетных множеств будет также счетное множество. Например, натуральные числа и отрицательные -1,-2, -3, -4,... в результате дадут множество целых чисел. Следовательно, мы можем сказать, что X0 + X0 = X0 .

Рассмотрим последний пример. Мы уже отметили, что у множества ординальных чисел первого класса (то есть натуральных) мощность равна X0 и что если мы прибавим к ним множество ординальных чисел второго класса (которое начинается c ω. ω + 1, ω + 2,...), то образованное множество будет иметь мощность X1 . Кантор же доказал, что и множество ординалов второго класса само по себе имеет мощность X1 . Если к множеству мощностью X1 (то есть только ординалов второго класса) прибавить множество мощностью X0 (ординалы первого класса), мы получим множество с мощностью X1 (ординалы первого и второго классов вместе); в терминах трансфинитной арифметики это означает, что X0 + X1 = X1 (см. рисунок 4).

В действительности мы можем доказать, что дважды сложив одно и то же бесконечное кардинальное число, в результате получим его же (как в случае с X0 + X0 = X0 ), и если мы сложим два разных бесконечных кардинальных числа, то результатом будет большее из них ( X0 + X1 = X1). Следовательно, можно утверждать, что X1 + X1 = X1 и X2 + X2 = X2 .

РИС. 3

РИС. 4

Рассмотрим еще одну операцию трансфинитной математики, но сначала необходимо ввести несколько терминов. Множество надо понимать как вещь в себе, отличную от членов, которые его составляют. Так, Q, множество всех рациональных чисел, и I, множество иррациональных, являются каждое одним объектом. Тогда мы можем представить множество, составленное только этими двумя объектами — Q и I, — которое мы условимся называть D. Членов D всего два: это Q и I, следовательно, его мощность равна 2. Не следует путать D с объединением Q и I, которое получается, если в одно множество собрать все члены двух множеств, и в результате дает множество всех вещественных чисел R. Число 3/2, например, является членом Q и R, но не D. Здесь можно провести аналогию со множеством, образованным планетами солнечной системы, назовем его 5. В нем восемь членов: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. С другой стороны, Земля сама по себе может быть представлена как множество, члены которого — человеческие существа.

В рамках трансфинитной арифметики помимо суммы мы можем определить произведение кардинальных чисел. Для этого надо обратиться к так называемому декартову произведению множеств. Если А и В — произвольные множества, их декартово произведение будет записываться как А x В и определяться как множество, образованное всеми парами, первые члены которых являются элементами А, а вторые — В. Как это делается в текстах по теории множеств, пара, образованная, например, числами 1 и 2, обозначается как (1,2). Порядок записи элементов очень важен, поскольку (1,2) — не та же самая пара, что (2,1). Поэтому обычно говорят об упорядоченных парах. Итак, если А — это множество, образованное числами 0 и 1, а В — числами 2,3 и 4, то А х В — это множество, состоящее из пар (0,2), (0,3), (0,4), (1,2), (1,3), (1,4). Обратим внимание на то, что А имеет мощность 2; В — мощность 3, а А х В — мощность 6. Как следствие из предыдущего примера, произведение мощности А на мощность В будет мощностью А x В (в отличие от того, что происходит в случае сложения, здесь не имеет значения, есть ли у А и В общие члены). Чему равно X0 х X0 ? Если мы возьмем множество всех натуральных чисел N (мощность которого, как мы знаем, равна X0 ), то исходя из предыдущего определения X0 ∙ X0 — мощность N x N (множество всех пар натуральных чисел). Далее будет доказано, что N х N счетное.