從「無窮」到「集合」,這位數學家以一己之力打造了數學大廈基礎

2020-11-26 數學真美

自從人類誕生於地球這顆蔚藍色的星球,每當仰望浩瀚的星空和深邃的宇宙,人們對「無窮之美」充滿了無限的遐想。希爾伯特曾說:沒有任何問題象「無窮」那樣深深地觸動人的情感,很少別的觀念能像「無窮」那樣激勵理智產生富有成果的思想,然而也沒有任何其它概念能象「無窮」那樣需要加以闡明。

然而,「無窮」雖美,但也令人充滿困惑甚至令人感到恐懼,人們對「無窮」充滿嚮往卻又無力把握。只有當「無窮」遇上「集合論」的時候,「無窮」之美才真正地被人類所掌控。那麼,「無窮」與「集合論 」到底是怎樣的關係呢?

早在兩千多年前的古希臘,人類的先行者就開始了對「無窮」的思考,儘管那時的數學家和哲學家們已經積累了大量有關「無窮」的問題,但是幾乎所有人對「無窮」都持迴避的態度。

公元前5世紀,埃利亞學派的芝諾提出了四個著名的「芝諾悖論」:「二分法悖論」、「阿基裡斯追龜悖論」、「飛矢不動悖論」與「運動場悖論」。這些悖論是人類最早的關於「無窮」與「集合」的深度思考,也是「無窮集合」最早的思想萌芽。

在此之後的希臘哲學家亞里斯多德將「無窮」分為兩大類,一類是「潛無窮」,一類是「實無窮」。「潛無窮」的意思是說,有的事物看起來是「無窮」的,但是最終還是「有限」的。比如「宇宙」的年齡,對於人類來說,是「無窮」的,但是如果以「上帝視角」來看的話,它依然是有限的。在亞里斯多德看來,「實無窮」是不存在的,一切的「無窮」都是「潛無窮」,因而它由此推斷出「無窮集合」是不存在的。

由於亞里斯多德在那個時代的權威性,人們對他的話普遍當成真理,深刻地影響了後世的包括伽利略、高斯、柯西等偉大學者,幾乎所有人都拒絕承認「實無窮」。

比如,伽利略認為所有的「無窮集合」都是一樣的,不能比較大小。

大數學家高斯甚至在給朋友的信中說:「我必須最最強烈地反對你把無窮作為一完成的東西來使用,因為這在數學中是從來不允許的。」他甚至反對任何人使用「無窮的概念」和使用「無窮記號」。

法國大數學家柯西也不承認「無窮集合」的存在。對於康託爾提出的「部分與整體構成一一對應的關係」更是認為那是自相矛盾的事。

由此可見,人類接受「無窮概念」的過程是多麼的艱辛,但是真理的光芒是永遠無法掩蓋的。歷史的車輪滾滾向前,轉眼來到了十七世紀。牛頓和萊布尼茲等數學家開始嘗試把「無窮小量」引進數學,構成所謂的「無窮小演算」——近代最偉大的數學理論「微積分」誕生了。

在「積分法」裡,人們將「無窮多個無窮小量」加在一起,而在「微分法」裡,人們則將兩個「無窮小量」相除。

由於「無窮小量」運算的引進,給數學帶來了前所未有的繁榮和進步,不過,由於「無窮小量」的使用「不嚴格」,使得「微積分」底層的「邏輯矛盾」越來越嚴重,最終導致了「第二次數學危機」的爆發。

「第二次數學危機」爆發後,全世界的數學家都行動了起來。為了給「微積分」建立一個「嚴格化」的邏輯基礎,康託爾提出了著名的「等勢原理」。

所謂的「等勢原理」,其中重點在於它的這個「勢」字。簡單說來,「勢」就是「集合的元素的個數」。例如,如果一個集合有50個元素,我們說這個集合的「勢」為50。如果兩個集合的元素個數相等,我們就稱兩個集合「等勢」。要判斷兩個集合是不是「等勢」,最主要的特徵是看這兩個集合之間能不能建立起元素的「一一對應」的關係,只要二者能建立起「一一對應」的關係,我們就稱兩個集合的元素是一樣多的。

根據「等勢原理」,不但可以比較兩個「有限個元素的集合」的大小,還可比較「兩個無窮集合」的大小,從而就可以輕易地推出以下看起來不可思議的結論:

①全體整數和奇數一樣多。

②全體正整數和全體有理數一樣多。

③全體正整數的集合和全體實數的集合不等「勢」。

特別要注意第③條,它的證明過程是數學最美的證明之一。同時第③條告訴我們,並不是所有的無窮集合都是等「勢」的,「無窮集合」也是可以比較大小的。

以上這些重要的學術成果,康託爾於1873年11月29日在給戴德金信中提到,同年12月7日,康託爾寫信給戴德金,說他已能成功地證明「實數集」是不可數的,不能同「正整數集」建立一一對應的關係。也就是在這一天,「集合論」誕生了。

「等勢原理」提出來之後,幾乎遭到了整個學界的反對,1884年,康託爾一連遭受到來自各方面的壓力,精神上備受打擊,同年5月底,他的精神崩潰了,從此之後,康託爾只能利用少數頭腦清醒的時間進行「集合論」的研究。

1897年,人們發現了越來越多的由「集合論」引發的悖論,最終導致「第三次數學危機」的爆發,偉大的學者康託爾也在這場危機中走到了生命的盡頭,於1918年1月於精神病院孤獨地離開人世。

隨著時間的推移,人們逐漸認識到了「集合論」的重要性。希爾伯特高度讚譽康託爾的集合論「是人類純粹智力活動的最高成就之一」,他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」。

在「第三次數學危機」中,人們為了克服大量「悖論」所帶來的困難,數學家們提出用「公理化方案」對「集合」的定義加以限制,最終完成了從「樸素集合論」到「公理化集合論」的蛻變,最終成為了今天所見到的「現代數學大廈」的基礎。

在今天,小到用「集合」來定義的自然數、實數、函數,大到本身就具有「集合」性質的群、環、拓撲空間等,整個數學的各個分支都離不開「集合」的基礎。在追求真理的坎坷路上,康託爾是不幸的,但是人類是幸運的,因為人類沒有錯過那個最為關鍵的年代,當幾乎整個學界都站到了康託爾的對立面時,康託爾仍然憑著一己之力,為構建「近、現代數學」的基礎「集合論」而努力,為整個人類文明的持續發展,注入了新的活力。

相關焦點

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    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。
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    集合,看上去似乎並不太難的數學內容,為什麼會在數學王國當中佔據這麼重要的位置呢?我們先從古時期的數學說起,兩千多年以來,無數的數學家都直接或間接的接觸到「無窮」這一概念,但局限於當時社會環境、知識背景等因素,讓當時的數學界無力去探索、把握、認識它,無奈止步於「無窮」的門口,在一定程度上也束縛了數學的發展。
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    1872年,德國數學家戴德金從連續性的要求出發,用有理數的「分割」來定義無理數,並把實數理論建立在嚴格的科學基礎上,他將一切有理數的集合劃分為兩個非空且不相交的子集A和A',使得集合A中的每一個元素小於集合A'中的每一個元素。集合A稱為劃分的下組,集合A'稱為劃分的上組,並將這種劃分記成A|A'。
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    其中,起關鍵作用的就屬法國數學家柯西了。重要的是,柯西之後,魏爾斯特拉斯、戴德金、康託爾各自經過自己獨立深入的研究,都將分析基礎歸結為實數理論,並各自建立了自己完整的實數體系。經過數位傑出數學家對於微積分學基礎概念的重建後,第三次數學危機才終於得以解決。
  • 他提出的這個悖論引發了第三次數學危機,來看看到底是怎麼回事
    第二次數學危機徹底解決之後,再經過近200年的發展,科學家們普遍認為系統而嚴密的「科學大廈」已經基本建立。然而,人們沒有注意到的是,作為「現代數學」基礎的「集合論」還隱藏著很多的問題沒有解決。這個看似有點無釐頭的小故事所蘊含的「數學悖論」,揭示出了「集合論」所存在的嚴重問題。「集合論」作為近代數學大廈的基礎,經過長期的發展,已經滲透到了幾乎所有的數學分支。如果「集合論」有問題,就會動搖整個「數學大廈」。
  • 數學大廈基石的奠定,由「精神抑鬱」的病人奠定,致敬康託爾
    對於無窮這一神秘觀念,長期以來進展緩慢,雖然一直保持在數學家的視線之中,對其認知卻很難深入。伽利略認為從根本上來說,無窮是我們無法理解的。而高斯認為無窮僅僅是一個說法而已,是無法當實體來用的。在這樣的背景下,康託爾主張的就是一個實在的、具體的無窮概念,他認為有很多種不同規格的無窮。
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    那是因為到了中學,學習的特點已經由「基礎知識」為中心轉變為以「數學思想方法」為中心,這個特點到了高中,會變得更加明顯。所以,孩子的數學成績忽然呈現斷崖式下滑,多半是孩子的「數學思想方法」的匱乏所導致。在這次危機中,近代最為輝煌的數學成就「微積分」,差點兒被推翻。後來經過無數的大數學家的努力,最終由大數學家柯西用「極限」的方法定義了「無窮小量」,使得「微積分」得以發展和完善,也間接地使得「現代數學大廈」的基石變得更加牢不可破。第三次數學危機的導火線則是著名的「羅素悖論」,這個悖論用一句通俗的話來描述:「小明說:『我正在撒謊!』」。那麼問題來了,小明到底是撒謊還是說實話?
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    17世紀的數學終於迎來了新生。牛頓和萊布尼茨獨自發明了微積分,卻引發了數學的第二次危機。微積分計算的嚴格性常常被人詬病,迫切地需要數學理論的澄清。到了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、不連續函數理論的研究更是需要理解無窮集合的性質。了解「無窮」並深入「無窮」成了迫在眉睫的需求。時代呼喚著天才。
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    他在中學時期就對數學感興趣。1862年,他到蘇黎世上大學,1863年轉入柏林大學。  當時柏林大學正在形成一個數學教學與研究的中心,他在1867年的博土論文中就已經反映出「離經叛道」的觀點,他認為在數學中提問的藝術比起解法來更為重要。的確,他原來的成就並不總是在於解決間題,他對數學的獨特貢獻在於他以特殊提問的方式開闢了廣闊的研究領域。
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    ■孫小淳 王淑紅 「無窮」,曾經是數學上的「怪物」,因為一位偉大的數學家而變成數學概念家庭的
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    懷疑並不是無來由的,雖然當時人們已經認識到無理數是無限不循環小數,但是你又怎麼證明「無限不循環」的存在呢?19 世紀的德國數學家克羅內克就不承認無理數存在:「上帝創造了整數,其餘都是人的工作。」這是數學家的嚴謹態度:數學基礎要建立在自然數上,如果有數不能從自然數中推出,那就是有問題的。
  • 聽華萊士講那「無窮」的故事
    芝諾悖論連同畢達哥拉斯學派發現的「無理數」,一起構成了數學史上的「第一次危機」,正是對「無窮」的恐懼,希臘人放棄對算術的研究,而專注於幾何,卻也成就了數學大師歐幾裡得和那部名垂千古的《幾何原本》。「無窮」是一個精靈,它吹響的「魔笛」是那麼誘人;可它也是一個「幽靈」,似乎有意要為數學帶來「無窮」的麻煩。從芝諾悖論開始,無窮的本質就一直困擾著數學家和哲學家。
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    幾乎所有的「數學概念」都能用「集合論」來進行描述,這一偉大創舉,使整個近代數學界為之震憾。「集合論」在數學的發展史上具有無可替代的重要地位,現代數學的各個分支都是以「集合理論」為基礎建立起來的,如果拋開「集合論」談數學」,將無從談起。
  • 康託爾與集合論 | 新書試讀《數學悖論與三次數學危機》
    第12章 走向無窮 初中畢業升入高一級學校後,人們會發現自己所學的第一個數學概念都是:集合。研究集合的數學理論在現代數學中稱為集合論。它是數學的一個分支,但在數學中卻佔有極其獨特的地位,其基本概念已滲透到數學的幾乎所有領域。如果把現代數學比作一座無比輝煌的大廈,那麼可以說集合論正是構築這座大廈的基石。集合論的統治地位已成為現代數學的一大特點,由此可見它在數學中的重要性。其創始人康託爾也以其集合論的成就,被譽為對20 世紀數學發展影響最深的數學家之一。
  • 數學史上的3次數學危機
    在數學的發展史上,大大小小的矛盾出現過很多,但很少能威脅到整個數學基礎理論,甚至引起危機。即便是千百年來人們對歐幾裡得幾何公理第五公設的疑惑,也不曾造成數學上的危機,且最終成就了羅巴切夫斯基幾何和黎曼幾何。數學史上共出現三次數學危機,每次都是由於悖論的發現而深刻和廣泛的影響了數學基礎。
  • 糾正李永樂老師的數學錯誤,講講真正的羅素悖論是什麼?
    (一):羅素悖論的歷史背景提起羅素悖論,首先要知道德國數學家康託爾所創建的集合論。19世紀末的時候,德國著名的數學家康託爾創建了一門全新的數學學科,叫做集合論,這是一門偉大的學科,因為康託爾是數學歷史上第一個創建實無窮數學理論的數學家,他是實無窮數學理論的創始人。
  • 他的瘋狂,卻意外奠定了現代數學的基石
    高斯說道:我反對把無窮做為一個完全的東西來使用,在數學中絕不允許有這樣的用法。無窮只是說話的一種表達方式,其真正的含義只能表示為一個數可以無限制地增大。康託敏銳地發現了高斯斷言中的疑點。他認為高斯所表達的無窮僅僅是一個"潛無窮",即這樣的無窮是一個可以增加到超出任何有限限制的、可變的有限量。
  • 數學史20大數學家—康託爾,被時代冷遇卻為世界留下了無窮樂園
    「自然數列是無窮的,作為自然數列的一部分,偶數列也是無窮的,當我們建立自然數列與偶數列的一一對應關係時,我們會發現它們的個數是一樣多的。」這是集合論中最簡單的結論。今天我們就來聊一聊康託爾和他的集合論。格奧爾格·康託爾德國數學家,集合論的創始人。無窮還有大小嗎?
  • 數學家 康託爾
    康託爾對數學的貢獻是集合論和超窮數理論。兩千多年來,科學家們接觸到無窮,卻又無力去把握和認識它,這的確是向人類提出的尖銳挑戰。康託爾以其思維之獨特,想像力之豐富,方法之新穎繪製了一幅人類智慧的精品——集合論和超窮數理論,令19、20世紀之交的整個數學界、甚至哲學界感到震驚。可以毫不誇張地講,「關於數學無窮的革命幾乎是由他一個人獨立完成的。」