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

У обеих групп одно и то же кардинальное число, поскольку у них одинаковое количество членов (четыре, разумеется). Действительно, **** могло бы стать пусть примитивным, но действенным способом обозначения числа 4. Кардинальное число множества натуральных чисел выглядело бы как *********** (символы продолжаются бесконечно). Таким же было бы и кардинальное число множества квадратных чисел. Следуя рассуждениям Кантора, если два множества эквивалентны, у них одинаковая мощность.

Как теория Кантора решает парадокс Галилея, рассмотренный в главе 1? С одной стороны, очевидно, что натуральных чисел больше, чем квадратных, поскольку натуральные включают в себя квадратные. С другой стороны, взаимно однозначное соответствие двух множеств предполагает, что в них одинаковое количество членов.

Ответ Кантора основывается на том, что первое утверждение Галилея ложное. То, что множество квадратных чисел является частью множества натуральных чисел, верно, но из этого нельзя сделать вывод, что их больше, чем квадратных.

Когда речь идет о бесконечных множествах, совокупность необязательно больше части; другими словами, для актуально бесконечных групп не всегда действуют те же правила, что и для законченных. Квадратные числа входят в группу натуральных, но мощность и тех и других одинакова, так что никакого парадокса нет.

Интуиция говорит нам, что натуральных чисел должно быть вдвое больше по сравнению с парами, в то время как взаимнооднозначное соответствие подсказывает: в этих группах одно и то же количество членов.

Брайан Банч, «Математические хитрости и парадоксы», 1982 год

Основываясь на этих рассуждениях, несколько лет спустя немецкий математик Рихард Дедекинд (1831-1916) предложил альтернативное определение актуальной бесконечности. Вместо того чтобы исходить из отрицания — множество бесконечно, когда оно не конечно, — он решил действовать от обратного. По Дедекинду, актуально бесконечное множество равномощно любому своему подмножеству (этим свойством обладают все актуально бесконечные группы и только они). Мысль Дедекинда была встречена благосклонно, и его определение до сих пор используется в области математической бесконечности.

Продолжим рассмотрение статьи Кантора 1874 года. Мы уже знаем, что множество всех натуральных чисел эквивалентно множеству квадратных чисел. Обратимся теперь к целым числам.

В их множество входят натуральные и отрицательные числа: -1, —2, —3, —4, ... Такое множество, как и квадратные числа, эквивалентно натуральным. Чтобы доказать это, достаточно продемонстрировать взаимно однозначное соответствие этих групп.

Предположим, что мы сопоставляем Ос 0, 1 с -1, 2 с -2, 3 с -3 и так далее.

Эта попытка провалится, так как в правой колонке не все числа будут целые, то есть некоторые целые числа останутся без пары. Но тот факт, что это решение неверное, не означает, что не существует правильного разбиения на пары. Действительно, если мы соотнесем натуральные числа 0,1,2,3,4,5,6,... с целыми 0,1, -1, 2, -2,3, -3,..., то получим взаимно однозначное соответствие между ними.

Кардинальное число целых чисел всегда будет *********... Следующая группа, которую мы должны рассмотреть, состоит из рациональных чисел. Слово «рациональный» происходит от латинского ratio, что означает и «разум», и «отношение», «деление». Таким образом, рациональные числа — это такие числа, которые можно записать в виде соотношения двух целых чисел (в математике их еще называют дробями). Рациональными являются числа

Целые числа также являются рациональными, например 3/1 = 3 и 0/1 = 0 (выражение 0/0 не представляет никакого рационального числа, как и 1/0, 2/0, 3/0...). Следовательно, мы можем доказать, что множество рациональных чисел включает в себя и множество целых чисел, которое, в свою очередь, включает множество натуральных чисел. И тем не менее между множеством рациональных чисел, с одной стороны, и множеством натуральных и целых чисел, с другой, есть фундаментальное различие. Чтобы объяснить его суть, нам понадобится числовая ось. Это прямая (ее можно представить себе как потенциально, так и как актуально бесконечную), на которой отмечены числа. Сначала выберем произвольную точку и отметим на ней число 0, а потом еще одну, на которой отметим 1.

Каждая из этих точек на самом деле является математической, то есть не обладает длиной, но в данном случае, чтобы сделать их видимыми, мы обозначим их маленькими окружностями.

Выбор места для точек 0 и 1 совершенно произволен, но, сделав его, мы обусловим расположение остальных чисел. Расстояние между 0 и 1 должно равняться расстоянию между 1 и 2, а также расстоянию между 2 и 3 и так далее. То же справедливо и для отрицательных чисел.

Георг Кантор в 1870 году по прибытии в Галльский университет.

Университет в Галле, приблизительно 1936 год.

Портрет Рихарда Дедекинда. Генрих Кенигсдорф, 1927 год.

Портрет Карла Теодора Вильгельма Вейерштрасса. Конрад Фер.

Немецкий математик Давид Гильберт (1862-1943) придумал задачу, в которой упрощенно излагается одно из следствий теории Кантора. Представим себе отель, в котором есть бесконечное количество комнат, обозначенных номерами 1, 2, 3, 4, 5 и так далее. В каждом номере есть постояльцы, которых мы для удобства так же обозначим числами 1, 2, 3, 4, 5 и так далее. Однажды в отель приезжает новый гость, назовем его Господином 0, но все номера заняты, а по правилам отеля двое людей не могут занимать один номер. Господин 0 уже собирается уходить, когда ему предлагают такой вариант: он поселится в номере 1, гость 1 — в номере 2, гость 2 — в номере 3 и так далее. Таким образом, Господин 0 сможет остановиться в отеле, и никто не останется без комнаты.

На языке математики эта история доказывает, что множество чисел 0, 1, 2, 3,4,... эквивалентно множеству чисел 1, 2, 3, 4, 5,... То есть любое бесконечное множество, к которому добавляется новый элемент, эквивалентно изначальному множеству.

Положение каждого рационального числа также строго определено. Если мы разделим отрезок между 0 и 1 на шесть равных частей, первой точке после 0 будет соответствовать число 1/6, второй — 2/6 (обратим внимание, что 2/6 = 1/3), третьей — 3/6 (то есть 1/2) и так далее.

Существуют ли рациональные числа между 1/3 и 1/2? Да, так как, например, есть их среднее арифметическое, 5/12. А между 1/3 и 5/12? Тоже: их средним арифметическим будет 3/8. Таким образом, как бы близко друг к другу ни располагались два рациональных числа, между ними всегда будут другие рациональные числа.

Из этого следует, что любой отрезок числовой оси, каким бы маленьким он ни был, всегда будет содержать бесконечное количество рациональных чисел. В этом и заключается различие между рациональными и целыми числами. Разумеется, ни натуральные, ни целые числа этим свойством не обладают. Следовательно, мы можем утверждать, что рациональных чисел на числовой оси больше, чем натуральных, но все-таки между ними есть взаимно однозначное соответствие.

Чтобы объяснить, как оно возникает (и открыл его Кантор), отметим на оси дроби, полученные с помощью двух натуральных чисел. Сначала запишем единственную дробь, составляющие которой в сумме равны 2:1/1. Затем дроби, составляющие которых в сумме равны 3: 1/2 и 2/1. После дроби, составляющие которых в сумме равны 4:1/3 и 3/1, опуская дробь 2/2, так как 2/2 = 1/1, а ее мы уже отметили. Продолжим с дробями, составляющие которых в сумме дают 5, затем 6 и так далее, всегда опуская дроби, равные уже записанным. У нас получится ось, которая в начале выглядит следующим образом.

Если мы продолжим эту линию на достаточное расстояние, в конце концов на ней появится какое-то положительное рациональное число (мы представляем эту ось как потенциально бесконечную). Чтобы включить и другие рациональные числа, поставим в начале 0 и будем чередовать положительные и отрицательные числа:

После этого, чтобы закончить соответствие, соотнесем 0 с первым числом оси, 1 — со вторым, 2-е третьим и так далее.

Таким образом, мы доказали, что между множествами натуральных и рациональных чисел есть взаимно однозначное соответствие.

Но Кантор в статье 1874 года, следуя совету Вейерштрасса, не упоминал об этих соответствиях (лишь намекнул), а также о кардинальных числах. Как тогда он мог утверждать, что некая группа чисел эквивалентна группе натуральных чисел? Для этого Кантор использовал понятие, которое стало одним из основных в его теориях: последовательность.