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蔡聰明

 


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.原載於科學月刊第二十六卷第八期、第九期
.作者當時任教於台大數學系
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集合論

現在唯一不明的是:線段含有無窮多點,這個「無窮」是什麼?可否進一步說明?「連續統」(continuum) 是什麼?

這些問題正是康特所要追尋的,由此導致集合論 (set theory) 的誕生。微積分與集合論分別是人類第一波與第二波的馴服無窮。

亞里斯多德將無窮分成實在的無窮 (actual infinity) 與潛在的無窮 (potential infinity),然後儘可能地避開前者。歐氏亦然,他的第五公理(平行公理)其實是敘述成:

兩直線被一直線所截,若在此截線的一側它跟兩直線所成的內角和小於一平角,則兩直線在此側相交。

這樣就避開了平行公理所需用到的:兩直線無限地延伸,都不相交的說法。 伽利略研究自由落體,得到自由落體定律 $s=\frac{1}{2}gt^2$,這是一個平方函數。基於好奇心,他將自然數與其平方數作對應:

\begin{displaymath}1 \rightarrow 1^2, 2 \rightarrow 2^2, 3 \rightarrow 3^2, 4 \rightarrow 4^2 \cdots \end{displaymath}

意外地發現自然數全體與平方數全體的元素個數一樣多,但是後者只是前者的一部分,這違背了歐氏的「全體大於部分」之公理。對此伽利略疑惑不解,稱之為伽利略詭論(Galileo Paradox, 1638)。因此歐氏公理只適用於有涯的世界,而不適用於無涯的世界。

微積分初步馴服無窮之後,人們對於「實在的無窮」仍然覺得恐懼。高斯(C.F. Gauss, 1777∼1855)說:

涉及無窮大的量,如果指的是「實在的無窮」,這種用法在數學中是不允許的。

康特不但接受伽利略的「詭論」,而且還拿它當作「無窮集」的定義:

一個集合若存在有部分子集,其元素個數跟全體的一樣多,就叫做無窮集。

兩個集合的元素個數一樣多,是什麼意思?康特利用對射 (bijective mapping or one to one correspondence) 的概念,來剖析無窮。如果兩個集合之間存在有一個對射,則稱此兩集合的元素個數一樣多,或具有相同的基數 (cardinal number),進一步,他將集合分成可列集 (countable set) 與不可列 (uncountable set):一個集合如果是有窮集或可跟自然數集形成一個對射,則稱此集是可列的,否則稱為是不可列的。

康特證明了:有理數集與代數數集 (algebraic numbers) 都是可列的,但是區間 [a.b] 及實數系都是不可列的。換言之,實數系 R 的無窮比自然數的無窮還要高級,所以超越數 (transcendental numbers) 存在。甚至他還證明:區間 [0,1] 與正方形 [0,1] x [0,1] 的點數一樣多!大大地違背直觀常識!康特在1877年寫信給好朋友戴德金說:「除非我能從你那裡得知我的證明的對錯,否則我是放心不下的。在未得你的證實之前,我只能說:我看到了它,但是我幾乎不敢相信!(I see it, but I don't believe it!)」

如果令 N 的基數為 $\aleph_0$(唸成 Aleph zero,$\aleph$ 是希伯萊第一個字母),R 的基數 $\aleph_1$,康特猜測說:不存在一個集合,其基數介於 $\aleph_0$$\aleph_1$ 之間。這叫做康特的連續統假說 (the continuum hypothesis)。如何證明或否證?柯恩 (P.J. Cohen) 在1963年提出的解答竟然出人意料之外:

它跟集合論公理是獨立的,是額外的一個公理,我們可以接受也可以拒絕。換言之,它既對又錯,端視我們的取捨,跟歐氏幾何的平行公理的地位完全相當。

康特對於問題 3 的回答是:線段含有無窮多點,而且是不可列的無窮。 康特因追究「無窮」而創立集合論。

集合論的誕生被形容為是「數學的法國大革命」,其術語已普及到所有的數學分支。現代數學的結構主義觀點認為,數學就是研究集合加上結構所形成的演繹系統。

希爾伯特(D. Hilbert, 1862∼1943)稱讚集合論說:

沒有人能夠把我們趕出康特為我們所建立的樂園。

羅素(B. Russell, 1872∼1970)也說:

對於先前環繞在數學無窮四周的困惑之解決,是我們這個時代最足以自豪的偉大成就。

   

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編輯:石莉君 / 校對:康明軒 / 繪圖:張琇惠;簡立欣 最後修改日期:2/17/2002