Открытие без границ. Бесконечность в математике
Шрифт:
1 -> 1/1
2 -> 1/2
3 -> 2/1
4 -> 3/1
5 -> 1/3
…
Самое удивительное в том, что мы установили взаимно однозначное соответствие между двумя множествами, одно из которых является дискретным (множество натуральных чисел), а другое — плотным (множество рациональных чисел).
Здесь бесконечность начинает понемногу приподнимать завесу тайны над своими удивительными загадками. Интуиция подсказывает, что счётными могут быть только дискретные множества, и тот факт, что плотное множество
МЫСЛИТЬ — ЭТО БОЛЬШЕ, ЧЕМ ГОВОРИТЬ
Согласно теории множеств Кантора, множество всех возможных слов, как произнесённых, так и записанных на бумаге, является счётным. Если учитывать, что множество знаков (букв, символов и т. д.) в языке конечно, то очевидно, что на его основе можно сформировать счётное множество. Другое дело — множество вещей, о которых мы можем подумать. Оно, очевидно, не является счётным. Мы можем представить, например, множество окружностей на плоскости, имеющее мощность континуум. Таким образом, всё, что мы можем сказать, поддаётся упорядочению, а всё, о чём мы можем подумать, не поддаётся или поддаётся лишь частично. Следовательно, можно упорядочить лишь часть наших мыслей, а большинство из них принадлежит к миру хаоса.
Буквы алфавита образуют ограниченное и, следовательно, счётное множество.
По этой причине с открытым Кантором понятием счётности оказалось тесно связано понятие непрерывности. Неизбежно возник вопрос: если расширить множество рациональных чисел иррациональными, будет ли полученное множество счётным?
Иными словами, можно ли говорить, что М — счётное множество?
Нет, это не так, и Кантор это доказал с помощью метода, схожего с тем, который он использовал при доказательстве счётности множества
Больше чем бесконечность
Ты всем известен, но никем не охвачен, ибо умеренное кажется большим, большое — бесконечным и ещё раз бесконечным.
Кантор знал, что ни вещественная прямая, ни какой-либо из её отрезков не являются счётными. Далее он совершил гигантский шаг и встретился с бесконечностью лицом к лицу.
Напомним, что для того чтобы получить множество вещественных чисел, необходимо добавить к множеству рациональных чисел множество иррациональных чисел, которые нельзя представить в виде частного двух целых. Множество вещественных чисел также является бесконечным и плотным. Однако оно не является счётным, в отличие от двух предыдущих, то есть этому множеству никоим образом нельзя поставить в соответствие ряд натуральных чисел 1, 2, 3, 4, 5, …
Поэтому Кантор сформулировал следующую задачу: имеются бесконечные множества, в каждом из которых число элементов одинаково, например множества натуральных, чётных или рациональных чисел. Однако в этом случае появляется новое множество вещественных чисел, которое также является бесконечным, но в нём больше элементов, чем в этих трёх множествах. Здесь Кантор вводит одну из самых революционных идей за всю историю математики: возможно, не все бесконечности одинаковы, а некоторые из них больше, чем другие? В качестве отправной точки он использовал бесконечное множество натуральных чисел. Затем он доказал, что множество вещественных чисел
Кардинальное число множества
ПРОВИДЕЦ ИЗ IX ВЕКА
Сабит ибн Курра (ок. 836–901) был авторитетным арабским учёным, жившим в IX веке. Известно, что он родился в Харране, в Междуречье. Помимо большого числа текстов по богословию и философии, он создал любопытный математический трактат, посвящённый, главным образом, арифметике. В нём ибн Курра, продемонстрировав невиданную для своего времени смелость, рассматривает возможность существования различных видов бесконечности в том смысле, что некоторые её виды могут быть больше других. Таким образом, ибн Курру можно считать подлинным предшественником Кантора.
Кантор знал, что — число
Это означает, что вне зависимости от размера двух отрезков прямой число точек на них будет одинаковым. Может показаться удивительным, но очень простое доказательство этого утверждения было известно ещё древним грекам.
Даны два отрезка, а и b. Чтобы установить взаимно однозначное соответствие между их точками, достаточно выполнить следующее построение. Соединим концы отрезков прямыми с и d, которые пересекутся в точке Е.
Выберем произвольную точку F отрезка а и соединим отрезком эту точку с точкой E — точкой пересечения прямых с и d. Точка G, в которой эта прямая пересечёт отрезок b, и будет искомым отображением точки F. Очевидно, что таким образом можно сопоставить каждой точке отрезка а точку отрезка b и наоборот. Это доказывает, что число точек на обоих отрезках одинаково.
Затем Кантор выполнил смертельный номер: взяв за основу один из этих отрезков, он построил квадрат
и смог доказать, что кардинальное число множества всех точек квадрата равно
И вновь доказал, что число точек, содержащихся в кубе, также равно
«Я вижу это, но я в это не верю», — писал Кантор Дедекинду в 1877 году, пытаясь объяснить эти взаимно однозначные соответствия между фигурами, имеющими разное число измерений. Кантор доказал положение, противоречащее любым интуитивным и математическим представлениям о размерности: все одномерные, двумерные и трёхмерные объекты, с которыми он работал, содержали одно и то же число точек, равное
Это было невероятно, и этот результат означал, что на любом, сколь угодно малом, отрезке содержится столько же точек, сколько во всей известной Вселенной. Внутри бесконечно малого оказалось заключено нечто бесконечно большое.