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康托尔对“无限”本质的精彩论证是数学史上最绚丽的思想光辉之一

 天使之剑 2020-06-04

∞用来表示某物是无限的或无止尽的。在古希腊时代,人们第一次探索无限的本质时,哲学家们常常讨论无限的性质,以致于无限有了自己的哲学范畴。在17世纪,人们用微积分和无穷小量的思想来探索无穷大。令人惊讶的是,无穷大在微积分领域的表现非常出色,从自动驾驶汽车到水箱维护,它在许多现实世界的应用中都表现出色。

人们很容易沉浸在无穷这个概念中,尤其是当它被用作一个数的时候。根据哲学上无限的含义下面的说法似乎是正确的。

当然,当无穷大与其他数字一起使用时,会产生许多矛盾。这就是为什么像上面这样的数学表述被认为是愚蠢的。然而,即使无穷加1仍然等于无穷这一观点在数学上被排除了,无穷意味着什么的哲学表明它的概念是有意义的。无穷大并不像静态意义上那样被认为是最大的数,而是一个连续不断的过程,比如不断地在已知最大的数上加1。然而,对于人类的大脑来说,把这样一个非人类的想法储存成数字之类的东西是很方便的。

在微积分中,无穷大并不是一个数字,而是一个概念。它和我们所理解的数字的性质是分开的

由于我们对无穷大的性质所知甚少,因此我们可能会惊讶地发现,无穷大的大小是不同的。这可以用康托尔著名的对角论证来证明,它表明无限集可以有不同的大小。我们知道整数集(1,2,3……)是无限集,实数集(0.5,π,e……)也是无限集,这两个无限集是否具有相同的大小?本质上,实数要比整数要多,如何比较这些集合的长度?

康托尔的对角论证明确指出,无限集合T和自然数的无限集合大小不同。

考虑一个集合T由无限集合S(n)的几个子集组成,每个子集都由0和1组成。因为显然有无数个S(n),因为n可以是无穷大,所以集合T的长度也是无限的。

此外,集合T与自然数N的集合是双射的,这意味着T可以与自然数的集合一一对应。这意味着T和N是相同的大小。

。构造一个序列q,使得每个下标n从0开始,一直到无穷,q的第n个指标是T的第n个元素的第n个指标的补数(对边)(T[n]),这在康托尔的对角论证中创建了对角线。下面的图可以清楚地说明qsh

集合q不等于T的其他元素,因为它们的第n位数字总是不同的。因此,通过构造,q不同于T的任何元素,尽管T已经无限长,包含所有可能的0和1的无限组合。

因此,集合T,加上一个附加的子集q,不能与无限自然数集合一一对应。

此外,可以构造一个新的序列m,使得它对于包括q在内的T的所有元素都是唯一的。因此,即使集合T已经是无限的,它也会随着唯一的新元素无限增长。在这个意义上,T可以被认为比集合N大无穷倍,尽管它们都是无限集。

康托尔的对角论证告诉我们存在许多大小不同的无限集。这太迷人了!

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