NexTutor
Wirtualne laboratorium/Matematyka/Teoria liczb/Hotel Hilberta — nieskończoność w praktyce
Wielkie odkrycie 1924 — Hilbert

Hotel Hilberta — nieskończoność w praktyce

Rozszerzenie tematu nieskończoności i zbiorów (poza programem). Hotel ma nieskończenie wiele pokoi, wszystkie zajęte — a mimo to pomieści nowych gości: wystarczy przesunąć każdego gościa z pokoju n do n+1 (lub do 2n dla nieskończenie wielu nowych). David Hilbert wymyślił ten eksperyment myślowy (ok. 1924 r.), by zilustrować dziwną arytmetykę nieskończoności: ∞+1=∞.

Matematyka · Teoria liczb · Hotel Hilberta — nieskończoność w praktyce (1924)
Ilu nowych gości chcesz dokwaterować?
Hotel ma nieskończenie wiele pokoi i wszystkie są zajęte. Nowy gość…
pokoje
∞ (ℵ₀)
nowi goście
1
przenosiny
n → n+1
wolne pokoje
pokój 1
moc po
ℵ₀

Co się właśnie stało?

Hotel ma nieskończenie wiele pokoi (ponumerowanych 1,2,3,1, 2, 3, \dots) i wszystkie są zajęte. W skończonym hotelu „komplet” oznacza „brak miejsca”. Ale tutaj wystarczy poprosić każdego gościa, by przeszedł o jeden pokój dalej: gość z pokoju nn idzie do pokoju n+1n+1. Nikt nie zostaje bez pokoju — a pokój 1 właśnie się zwolnił dla nowego gościa.

Arytmetyka nieskończoności:

N+1=N=0|\mathbb{N}| + 1 = |\mathbb{N}| = \aleph_0

Dodanie jednego elementu (a nawet nieskończenie wielu) do przeliczalnej nieskończoności daje wciąż tę samą przeliczalną nieskończoność — oznaczaną 0\aleph_0 („alef zero”, najmniejsza nieskończona liczba kardynalna).

A jeśli przyjedzie nieskończenie wielu nowych gości?

Nadal się zmieszczą. Każdy dotychczasowy gość przechodzi z pokoju nn do pokoju 2n2n — zajmując tylko pokoje o numerach parzystych. Wszystkie pokoje nieparzyste (1,3,5,1, 3, 5, \dots, a jest ich nieskończenie wiele) stoją teraz puste, gotowe dla nieskończenie wielu nowych gości:

0+0=0\aleph_0 + \aleph_0 = \aleph_0

Skąd ten pomysł?

Ten myślowy eksperyment wymyślił David Hilbert (wykład „Über das Unendliche”, ok. 1924), by zilustrować kontrintuicyjne własności zbiorów nieskończonych. To praktyczny obraz tego, co Georg Cantor udowodnił wcześniej formalnie: zbiór liczb naturalnych, samych parzystych, czy liczb naturalnych powiększony o jeden element — wszystkie mają tę samą moc 0\aleph_0 (przeliczalna nieskończoność).

Po co Ci to na maturze:

Hotel Hilberta to najczytelniejszy sposób, by zrozumieć, że nieskończoność nie zachowuje się jak zwykła liczba — kluczowe przy pojęciu mocy zbioru, zbiorów przeliczalnych i różnicy między N\mathbb{N} a R\mathbb{R}.

Zapamiętaj: w hotelu z przeliczalnie nieskończoną liczbą pokoi zawsze da się zrobić miejsce — bo 0\aleph_0 „plus jeden”, a nawet „plus nieskończoność”, to wciąż 0\aleph_0.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Czy do pełnego nieskończonego hotelu zmieści się nowy gość?

Tak — wystarczy przesunąć każdego gościa z pokoju n do pokoju n+1, zwalniając pokój 1.

Jak zmieścić nieskończenie wielu nowych gości?

Przesuwając każdego gościa z pokoju n do 2n — zwalnia się wszystkie nieparzyste pokoje.

Co ilustruje hotel Hilberta?

Że dodanie elementów do przeliczalnej nieskończoności daje wciąż tę samą nieskończoność: |ℕ|+1=|ℕ|.

Powiązane eksperymenty