Rozszerzenie tematu zbiorów liczbowych. Zbiory ℕ, ℤ, ℚ są tej samej „wielkości" nieskończoności (przeliczalne — da się je ponumerować), mimo że intuicyjnie ℚ wydaje się większe. Zbiór ℝ jest jednak istotnie większy — nieprzeliczalny, co dowodzi słynny argument przekątniowy Cantora. Georg Cantor udowodnił nieprzeliczalność liczb rzeczywistych w 1874 r. (wielkie odkrycie) — początkowo odrzucone przez część środowiska matematycznego.
Co się właśnie stało?
Zbiory , i udało się ustawić w policzalny ciąg — każda liczba w końcu dostaje swój numer porządkowy. To zaskakujące zwłaszcza dla : między dowolnymi dwiema liczbami wymiernymi jest ich nieskończenie wiele, a jednak dają się ponumerować, wyliczając ułamki po przekątnych siatki. Natomiast dla żadna lista nigdy nie jest kompletna — zawsze da się skonstruować liczbę, której na niej nie ma.
Hierarchia zbiorów liczbowych:
Mimo tej inkluzji, moc (rozmiar nieskończoności) pierwszych trzech zbiorów jest identyczna — nazywamy ją („alef zero”, najmniejsza liczba kardynalna nieskończona):
Argument przekątniowy Cantora (1891):
Załóżmy (dla sprzeczności), że dało się ponumerować wszystkie liczby rzeczywiste z przedziału (0, 1) jako listę . Budujemy nową liczbę , biorąc i-tą cyfrę po przecinku liczby i ją zmieniając:
Liczba różni się od na 1. cyfrze, od na 2. cyfrze, od na 3. cyfrze — i tak dalej. Więc różni się od KAŻDEJ liczby na liście, czyli nie ma jej na liście. Ale , a lista miała zawierać wszystkie takie liczby — sprzeczność. Zatem żadna lista nie może być kompletna: jest nieprzeliczalny.
Skąd wziął się opór wobec tego odkrycia?
Gdy Georg Cantor opublikował te wyniki (1874 i 1891), część ówczesnych matematyków — na czele z Leopoldem Kroneckerem — ostro je krytykowała, uznając różne „rozmiary” nieskończoności za filozoficznie niepokojące, wręcz nie do przyjęcia. Dziś teoria mnogości Cantora jest fundamentem całej współczesnej matematyki.
Po co Ci to na maturze:
Rozróżnienie zbiorów przeliczalnych i nieprzeliczalnych to podstawa rozumienia, czym różnią się liczby wymierne od niewymiernych i rzeczywistych — przydaje się przy dowodach niewymierności oraz w zadaniach o gęstości zbiorów liczbowych.
Zapamiętaj: , , zawsze da się ustawić w policzalny ciąg (moc ) — nigdy się nie da (moc continuum, większa nieskończoność).
Nie — oba zbiory są przeliczalne, mają tę samą „wielkość" nieskończoności (ℵ₀).
Bo nie da się ich ponumerować liczbami naturalnymi — dowodzi tego argument przekątniowy Cantora.
Zakładając, że lista liczb rzeczywistych jest kompletna, konstruuje się nową liczbę różniącą się od każdej na liście choć jedną cyfrą — sprzeczność.
Powiązane eksperymenty