NexTutor
Wielkie odkrycie 1883 — Cantor

Zbiór Cantora

Rozszerzenie tematu nieskończoności i ciągów geometrycznych. Usuwając wciąż środkową ⅓ odcinka, w granicy zostaje zbiór o łącznej długości 0 ((2/3)^n → 0), a mimo to nieprzeliczalnie liczny (tyle punktów co cały odcinek). Jeden z pierwszych fraktali, opisany przez Georga Cantora w 1883 r.

Matematyka · Fraktale i chaos · Zbiór Cantora (1883)
Liczba iteracji nn3
Po nieskończonym usuwaniu środkowych trzecich zostaje:
iteracje n
3
odcinki N
8
długość L
0.296·L₀
wymiar d
≈ 0,631

Co się właśnie stało?

Zacząłeś od odcinka [0,1][0,1]. W każdej iteracji z każdego odcinka usuwasz otwartą środkową trzecią (na starcie przedział (1/3,2/3)(1/3,\,2/3)) — zostają dwa odcinki po 1/31/3 długości. Powtarzasz to w nieskończoność. Z pełnego paska robi się coraz drobniejszy „pył" punktów (szara kreska to pełny odcinek startowy, z którego znikają środki).

Długość maleje geometrycznie do zera:

Ln=(23)n0L_n = \left(\tfrac{2}{3}\right)^n \to 0

Skoro z każdego odcinka zostają dwa o łącznej długości 23\tfrac{2}{3} poprzedniej, to długość mnoży się przez 23\tfrac{2}{3} co iterację. Iloraz 23<1\tfrac{2}{3} < 1, więc ciąg LnL_n jest zbieżny do zera — po nieskończenie wielu krokach „długości" nie zostaje nic, choć liczba odcinków rośnie jak 2n2^n.

Paradoks: długość 0, a punktów nieprzeliczalnie wiele

A jednak zbiór Cantora nie jest pusty — zawiera nieprzeliczalnie wiele punktów, dokładnie tyle samo co cały odcinek [0,1][0,1] (ma moc continuum). To punkty, które w rozwinięciu trójkowym można zapisać bez użycia cyfry 1. Mamy więc zbiór o długości (mierze) zero, ale równolicznej z całym odcinkiem — paradoks spinający teorię miary z teorią mnogości Cantora.

Samopodobieństwo i wymiar fraktalny:

d=log2log30,631d = \dfrac{\log 2}{\log 3} \approx 0{,}631

Każda z 2 połówek to pomniejszona kopia całości (skala 1/3) — zbiór jest samopodobny. Jego wymiar fraktalny wynosi log2/log30,631\log 2/\log 3 \approx 0{,}631 — leży między punktem (0) a linią (1): struktura jest „więcej niż zbiorem punktów, mniej niż odcinkiem".

Kto to odkrył?

Niemiecki matematyk Georg Cantor (1845–1918) opisał ten zbiór w 1883 r. Był twórcą teorii mnogości i pojęcia różnych „rozmiarów" nieskończoności (liczb kardynalnych). Zbiór Cantora to jeden z pierwszych i najsłynniejszych fraktali — a zarazem klasyczny przykład, jak zawodna bywa intuicja przy nieskończoności.

Po co Ci to na maturze:

To modelowy przykład ciągu geometrycznego zbieżnego do zera (Ln=L0qnL_n = L_0 q^n, q=23<1q = \tfrac{2}{3} < 1) obok ciągu rozbieżnego (Nn=2nN_n = 2^n \to \infty). Łączy granice ciągów, potęgi i geometrię fraktalną — i uczy ostrożności: „długość 0" nie znaczy „pusto".

Zapamiętaj: długość zbioru Cantora maleje ×2/3 co iterację i dąży do zera ((2/3)n0(2/3)^n \to 0), a mimo to zostaje w nim nieprzeliczalnie wiele punktów. Znikająca długość, nieprzeliczalne bogactwo.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Co zostaje po nieskończonej konstrukcji zbioru Cantora?

Zbiór o łącznej długości 0, ale zawierający nieprzeliczalnie wiele punktów — tyle samo co cały odcinek [0,1].

Jak buduje się zbiór Cantora?

Z odcinka [0,1] usuwamy środkową trzecią, potem z każdego pozostałego odcinka znów środkową trzecią — w nieskończoność.

Dlaczego zbiór Cantora to paradoks?

Bo ma miarę (długość) zero, a jednocześnie moc continuum — łączy teorię miary z teorią mnogości.