NexTutor
Wielkie odkrycie 1874 — Cantor

Nieskończoności Cantora

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.

Matematyka · Teoria liczb · Nieskończoności Cantora (1874)
Który zbiór liczbowy chcesz sprawdzić?
Liczb rzeczywistych R\mathbb{R} jest… niż liczb naturalnych N\mathbb{N}:
zbiór
ℕ naturalne
przeliczalny?
Tak
moc zbioru
ℵ₀
ponumerowano
0/14…

Co się właśnie stało?

Zbiory N\mathbb{N}, Z\mathbb{Z} i Q\mathbb{Q} udało się ustawić w policzalny ciąg — każda liczba w końcu dostaje swój numer porządkowy. To zaskakujące zwłaszcza dla Q\mathbb{Q}: między dowolnymi dwiema liczbami wymiernymi jest ich nieskończenie wiele, a jednak dają się ponumerować, wyliczając ułamki po przekątnych siatki. Natomiast dla R\mathbb{R} żadna lista nigdy nie jest kompletna — zawsze da się skonstruować liczbę, której na niej nie ma.

Hierarchia zbiorów liczbowych:

NZQR\mathbb{N} \subset \mathbb{Z} \subset \mathbb{Q} \subset \mathbb{R}

Mimo tej inkluzji, moc (rozmiar nieskończoności) pierwszych trzech zbiorów jest identyczna — nazywamy ją 0\aleph_0 („alef zero”, najmniejsza liczba kardynalna nieskończona):

N=Z=Q=0|\mathbb{N}| = |\mathbb{Z}| = |\mathbb{Q}| = \aleph_0

Argument przekątniowy Cantora (1891):

Załóżmy (dla sprzeczności), że dało się ponumerować wszystkie liczby rzeczywiste z przedziału (0, 1) jako listę x1,x2,x3,x_1, x_2, x_3, \dots. Budujemy nową liczbę yy, biorąc i-tą cyfrę po przecinku liczby xix_i i ją zmieniając:

y=0,y1y2y3gdzie yii-ta cyfra liczby xiy = 0,\,y_1 y_2 y_3 \dots \quad \text{gdzie } y_i \neq i\text{-ta cyfra liczby } x_i

Liczba yy różni się od x1x_1 na 1. cyfrze, od x2x_2 na 2. cyfrze, od x3x_3 na 3. cyfrze — i tak dalej. Więc yy różni się od KAŻDEJ liczby na liście, czyli nie ma jej na liście. Ale y(0,1)y \in (0,1), a lista miała zawierać wszystkie takie liczby — sprzeczność. Zatem żadna lista nie może być kompletna: R\mathbb{R} 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: N\mathbb{N}, Z\mathbb{Z}, Q\mathbb{Q} zawsze da się ustawić w policzalny ciąg (moc 0\aleph_0) — R\mathbb{R} nigdy się nie da (moc continuum, większa nieskończoność).

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Czy liczb wymiernych jest więcej niż naturalnych?

Nie — oba zbiory są przeliczalne, mają tę samą „wielkość" nieskończoności (ℵ₀).

Dlaczego liczb rzeczywistych jest więcej?

Bo nie da się ich ponumerować liczbami naturalnymi — dowodzi tego argument przekątniowy Cantora.

Na czym polega argument przekątniowy?

Zakładając, że lista liczb rzeczywistych jest kompletna, konstruuje się nową liczbę różniącą się od każdej na liście choć jedną cyfrą — sprzeczność.