阿列夫零

阿列夫零

數學分支
在集合論這一數學分支裡,阿列夫數,又稱艾禮富數,阿列夫數是一連串超窮基數。其标記符号為 ℵ (由希伯來字母 ‎א‎ ‎演變而來)加角标表示可數集(包括自然數)的勢标記為ℵ₀ ,下一個較大的勢為ℵ₁ ,再下一個是ℵ2,以此類推。一直繼續下來,便可以對任一序數 α 定義一個基數。阿列夫零是一個美麗的概念。它是最小的無窮數。我知道你們在想什麼,無窮應該隻是一個概念,而不是一個具體的數字。畢竟,如果有一個無窮大大于另一個無窮大,第一個肯定不是無窮大。[1]
    中文名:阿列夫零 外文名:Aleph-null 适用領域:基數 所屬學科:數學 别名:艾禮富數 表達式:ℵ 提出者:格奧爾格·康托爾

定義

這一概念來自于格奧爾格·康托爾,他定義了勢,并認識到無限集合是可以有不同的勢的。

阿列夫數與一般在代數與微積分中出現的無限(∞) 不同。

阿列夫(aleph),是希伯來文字母表的第一個字母。

阿列夫數與一般在代數與微積分中出現的無限(∞) 不同。阿列夫數用來衡量集合的大小,而無限隻是定義成實數線上的最大的極限或擴展的實軸上的端點。某些阿列夫數會大于另一些阿列夫數,而無限隻是無限而已。

構造性定義

阿列夫數的直觀定義并沒有解釋什麼叫“下一個較大的勢”,也沒有證明是否存在“下一個較大的勢”。即便承認對任意的基數都存在更大的基數,是否存在“下一個較大的勢”使得這個基數和“下一個較大的基數”之間不再有其他的基數仍然是個問題。下面的構造型定義解決這個問題:

ℵ0定義從前,它是一個良序集ℕ的序數;

考慮良序集按照某種同構關系劃出的等價類;

如上定義的等價類有一個特點:可比較,

設ℵa已定義且是一良序集的基數,考慮:

由于ℵa是某良序集的基數,這個良序集必存在于某個等價類中;一定還有其他基數為ℵa的良序集,這些良序集必将也存在于某個等價類中(可能與上面的同屬同一個等價類,但不一定)。所有這些等價類将做成一集,記為Z(ℵa)。

Z(ℵa)也是良序集。

定義ℵa+1:= card(Z(ℵa)),它是一個良序集的基數。

阿列夫

ℵ1是所有可數序數集合的勢,稱為ω1或有時為Ω。這個ω1本身是一個比所有可數序數更大的序數,因此它為一個不可數集。

如何理解阿列夫零

在了解阿列夫零前,先看一個關于無窮大悖論的故事

基塔:““無窮飯店”是我們銀河系中心的一家巨大的旅館。它擁有無窮多個房間,這些房間通過黑洞伸展到更高級的時空領域。房間号從1開始,無限制地排下去。 一天,這個旅店的客房全住進了客人,這時候來了一位飛碟(不明飛行物)的駕駛員,他正要去别的星系。 盡管已經沒有空房間了,可是旅店老闆仍然給駕駛員找到了一個房間。他不過是把原來住在各個房間裡的房客都一一移到高一号的房間。于是左邊第1号房間就空出來給該駕駛員住。 第二天又來了五對夫婦渡蜜月。無窮飯店能不能接待他們,老闆隻不過把每個客人都一一移到高5号的房間中去,空出的1到5号房就給這5對夫婦 。周末,又有無窮多個泡泡糖推銷員來到這家旅館開會。 ”

赫爾曼:“我能夠理解無窮飯店可以怎樣接待有限數量的新到者,可是它怎麼能夠再給無窮多旅客找到新房間呢? ”

基塔:“很容易,我親愛的赫爾曼。老闆隻要把每個房間裡的客人移到原來号碼兩倍的房間中去就行了。 ”

赫爾曼:“對了!這下每個房間裡的人都住到雙号房中,餘下的所有單号房間有無窮多個,它們空出來給泡泡糖商人住!”

關于無窮大還有很多悖論。計數用的數是無窮大等級中最低一級的無窮數。在整個宇宙中的點數是第二級無窮大數,第三級無窮大數比這要多得多!

德國數學家喬治·康托發現了無窮大的這種等級,他把這種新型的奇異等級稱為阿列夫零、阿列夫1、阿列夫2等等。關于阿列夫數有很多深刻的神秘性,解決它們是現代數學中最激動人心的挑戰之一。

如我們所知,任何一個有限集都不能與它的一個真子集建立一一對應的關系。對于無窮集這—點就不成立了。看上去這樣就違反了整體大于局部這一古老法則。确實,一個無窮集可以定義為能夠與它的一個真子集一一對應的集。

無窮飯店的老闆首先表明了由一切計數用的數所組成的集合(這是喬治·康托稱為阿列夫零的集合)可以與它的某一個真子集一一對應,并餘下一個元素,或者五個元素。顯然,這一程序可以變化,使得從一個阿列夫零集中減去它的一個子集,這個子集也是阿列夫零集,從其餘下的數中就會得到所要的任何有限個數量的元素。

還有一個辦法可以使這一減法形象化,想象有兩根無限長的測量棒并排放在桌子上,把兩棍棒的零端對齊放在桌子中心。兩根棒都刻了線,按厘米計數。兩根棒在右端延伸到無窮遠,所有數都一一對應:0—0、1—1、2—2等等。想象把一根棒向右移動n厘米。移動以後,那棍棒上的所有數仍與不動的棒上的數一一對應。如果那根棒移動了3厘米,則棒上教的對應就是0—3、1—4、2—5、……。移動的n厘米代表兩棍棒長之差。不過,兩根棒的長度仍然是阿列夫零厘米長。由于我們可以讓二者之差n為我們所要的任何一個值,很明顯用阿列夫零減阿列夫零就是一個不确定的運算。

飯店老闆最後施的策略就是打開無窮多個房間。這表明如何用阿列夫零減阿列夫零得到阿列夫零。讓每一個數與每一個偶數一一對應,則餘下的是一個由全部奇數所構成的阿列夫零集。

由實數所構成的集合形成更高一級的無窮集,康托稱之為阿列夫1。康托的輝煌成就之一就是著名的“對角論證法”,它說的是阿列夫1的元素不可能與阿列夫0的元素構成一一對應關系。阿列夫1也就是在一條線段上全部點的數目。康托證明了這些點怎樣能與一條無限直線上的點一一對應,怎樣與一方塊上的點、與一無限大平面上的點;與一立方體中的點、與無限大空間中的點一一對應,如此下去還可以與超立方體或更高維空間中的點一一對應。阿列夫1又稱為“連續統的勢” [2]  。

阿列夫2是一切可能的數學函數——連續函數和不連續函數的數目。因為任何一個函數都可畫為一曲線,我們把“曲線”取廣義以包括不連續曲線,則阿列夫2就是一切可能的曲線數目。同樣,如果我們所指的曲線是在一張郵票上,或者在一個無窮空間裡,或者在一個無窮超空間裡的全部曲線,這一切都沒有問題,仍是阿列夫2。康托還證明了阿列夫2不可能與阿列夫1一一對應。

當一個阿列夫數被升級為它本身的幂,則産生一個更高級的阿列夫數,它不能與産生它的阿列夫數一一對應。因此,阿列夫數的階梯向上是無窮的。

在阿列夫數之間有沒有什麼超限數?比如說,有沒有一個數比阿列夫零大、比阿列夫1小?康托确信不存在這種數。他的猜測成為著名的廣義連續統假設。

1938年,哥德爾證明标準集合論與不存在中介的超限數假設是一緻的。1963年,保羅·科恩證明,如果人們假定存在中介數,這也不與集合論矛盾。簡言之,連續統假設是由表明它是“不可判定的”來判定的。

科恩的研究結果是:集合論分為康托型和非康托型的。康托型集合論是假設在阿列夫數之間沒有中介數。非康托型集合論是假定有無限多個中介數。情況類似于幾何學中,發現平行線假設不能被證明後,幾何學分成了歐氏幾何和非歐幾何一樣。

希望學習更多關于這些神秘的超限數知識的學生可以閱讀愛德華·卡斯納和詹姆斯·紐曼著的《數學與想象力》第二章“古格爾之後”和《科學美國人》1966年三月号數學遊戲部分。

相關詞條

相關搜索

其它詞條