這位數學家創立「集合論」,為近代數學奠定了基礎,他自己卻瘋了

2020-12-13 數學真美

「無窮」的思想瑰麗無比,令數學家們痴迷與嚮往,卻又無力深刻地理解和把握它,這一直是人類在思想上所面臨的尖銳挑戰。

早在兩千多年以前,古希臘的數學家阿基米德開始計算「無窮大」的數目,他所用的方法,居然與 19世紀的「微積分」與「集合論」極為相似,這是人類有史以來明文記載的偉大的「無窮」思想。

19世紀由於「分析的嚴格化」和「函數論的發展」,數學家們對「無理數理論」、「不連續函數理論」進行了深入的研究,這為康託爾「集合論」的產生奠定了重要的「思想基礎」。

1870年,康託爾開始研究「三角級數」,並由此導致19世紀末、20世紀初最偉大的數學成就——「集合論」的建立。

康爾託受「魏爾斯特拉斯」的直接影響,對「嚴格的分析」理論進行了深入地研究,不久便獲得了一系列重大的成果。

他首次證明了「複合變量函數三角級數展開的唯一性」,繼而用「有理數列極限」定義無理數。

三角級數也常稱為「傅立葉級數」,康託爾在尋找「函數」展開為「三角級數」表示的「唯一性判別準則」的研究中,認識到了「無窮集合」的重要性,並開始進行深入的研究,證明它即使在「有限個間斷點」處「不收斂」,定理仍然成立。

1872年,康託爾把「唯一性」的結果推廣到允許「例外值」是某種「無窮的集合」情形。為了描述這種集合,他首先定義了「點集的極限點」,然後引進了「點集的導集」和「導集的導集」等重要概念。

這是從「唯一性」問題的探索向「點集論」研究的開端,為「點集論」的誕生奠定了重要的理論基礎。

為了將「有窮集合」的元素個數的概念推廣到「無窮集合」,康託爾以「一一對應」為原則,提出了「集合等價」的重要概念。第一次對各種「無窮集合」按照它們元素的「多少」進行了分類。

於是,康託爾引進了「可列」這個概念,把凡是能和正整數構成「一一對應」的任何一個集合都稱為「可列集合」。

1874年,康託爾證明了「有理數集合」是「可列」的,後來他還證明了所有的「代數數」的全體構成的「集合」也是可列的。

然而不久之後,康託爾得出了一個出乎意料的結論,他發現「實數集合」是不可列的。

由於實數集合「不可列」,而「代數數集合「可列」,康託爾憑著敏銳的直覺,預言了「超越數集」的存在,而且堅信「超越數」的數量將大大地多於「代數數」。

同年,康託爾又構造了「實變函數論」中著名的「康託爾集」,給出了「測度為零」的「不可數集」的一個例子。

康託爾還巧妙地將「一條直線上的點」與「整個平面的點」一一對應起來,甚至可以將「直線」與整個「n維空間」中的點進行「一一對應」。

至此,康託爾將「無窮」的概念發揮到了極至。

「無窮概念」的提出,為數學的發展開闢了一片廣闊的新天地,使「集合論」成為了「近代數學大廈」的基礎。

但是其誕生之初的「不完備」性,導致了一些看似「微不足道」的問題偶爾出現,這些問題不斷地日積月累。

終於,隨著「羅素悖論」的提出,第三次數學危機徹底爆發了,康託爾成為了數學界各大名流的眾矢之的,對他展開了猛烈的抨擊,這些人當中,德國數學家「克羅內克」的言辭最為激烈,攻擊時間長達10年之久。

「數學的本質就在於它的自由。」——這是康託爾的信條。他一生孤獨行走在追求真理的道路上,追求著他所嚮往的「無窮」與自由之美,幾乎是憑著他的一己之力,完成了數學關於「無窮」概念的革命。

然而,薪水微薄的康託爾,最終耗儘自己的全部心血,也無法完全解決「集合論」出現的各種問題,他那顆追求完美的心最終無法接受這一切,終於徹底地崩潰了。

然而,真理越辨越明,「集合論」經過不斷地完善,其重要性最終得到了數學界的普便肯定,成為了「近代數學」牢固的基礎。

著名的數學家「希爾伯特」用堅定的語言向他的同代人宣布:「沒有任何人能將我們從康託爾所創造的伊甸園中驅趕出來」。

當我們在學習「集合」概念的時候,向康託爾這位勇敢的先行者致以崇高地敬意吧!

小夥伴們,你們對此有什麼看法呢?歡迎留言討論。

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