康托定理

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最後更新: 標籤: 集合論

先備知識

你能想到的每個集合——無論多大、有限還是無限——都有一個嚴格大於自身的冪集。這就是康托定理(Cantor’s theorem),其證明是數學中最優美的之一:一個稱為對角集的自指構造,一次性擊敗每個候選的滿射。這個結果也打開了一扇數學家此前不知存在的門:存在無窮多個不同大小的無窮。

康托定理的內容

康托定理。 對任意集合 AA,不存在從 AA 到 P(A)\mathcal{P}(A) 的滿射。等價地,

∣A∣<∣P(A)∣.(1)|A| < |\mathcal{P}(A)|. \tag{1}

回憶映射中,∣A∣<∣B∣|A| < |B| 意味著存在從 AA 到 BB 的單射,但不存在雙射——因此也不存在滿射 A↠BA \twoheadrightarrow B。康托定理有兩個部分,合在一起建立了 (1)(1):

  • 容易的方向:從 AA 到 P(A)\mathcal{P}(A) 的明確單射(給出 ∣A∣≤∣P(A)∣|A| \leq |\mathcal{P}(A)|)。
  • 困難的方向:證明從 AA 到 P(A)\mathcal{P}(A) 的滿射不能存在(排除相等)。

容易的方向:將 A 單射入 P(A)

定義單元素映射(singleton map):

ι ⁣:A→P(A),a↦{a}.\iota \colon A \to \mathcal{P}(A), \quad a \mapsto \{a\}.

這將每個元素送到包含它的單元素集。若 ι(a1)=ι(a2)\iota(a_1) = \iota(a_2),則 {a1}={a2}\{a_1\} = \{a_2\},這迫使 a1=a2a_1 = a_2。所以 ι\iota 是單射,因此 ∣A∣≤∣P(A)∣|A| \leq |\mathcal{P}(A)|。

對角論證

不存在滿射的證明使用一種稱為**對角論證(diagonal argument)**的技術。你構造一個子集 D⊆AD \subseteq A,使任何候選滿射都必然錯過它——不只是某個特定的糟糕選擇 ff,而是每個可以想像的 ff。

證明。 假設,為了矛盾,f ⁣:A→P(A)f \colon A \to \mathcal{P}(A) 是滿射。定義對角集:

D  ≔  {x∈A∣x∉f(x)}.(2)D \;\coloneqq\; \{x \in A \mid x \notin f(x)\}. \tag{2}

由於 D⊆AD \subseteq A,我們有 D∈P(A)D \in \mathcal{P}(A)。因為 ff 被假設是滿射,AA 的某個元素必須映射到 DD。稱之為 dd:

f(d)=D.f(d) = D.

現在問:dd 是 DD 的成員嗎?

  • 若 d∈Dd \in D: 則由 DD 的定義 (2)(2),我們需要 d∉f(d)d \notin f(d)。但 f(d)=Df(d) = D,所以 d∉Dd \notin D。矛盾。
  • 若 d∉Dd \notin D: 則由 DD 的定義 (2)(2),我們需要 d∈f(d)d \in f(d)。但 f(d)=Df(d) = D,所以 d∈Dd \in D。矛盾。

兩種情形都導致矛盾。ff 是滿射的假設必然是假的。□\square

對角集的運作原理

定義 D={x∈A∣x∉f(x)}D = \{x \in A \mid x \notin f(x)\} 的構造,使得 DD 對每一個 x∈Ax \in A 的成員關係都與 f(x)f(x) 不一致:

x∈D    ⟺    x∉f(x).(3)x \in D \;\iff\; x \notin f(x). \tag{3}

這意味著對任意 xx,D≠f(x)D \neq f(x):兩個集合在 xx 是否屬於它們上不同。由於 DD 與 ff 的值域中的每個集合都不同,它不可能在值域中。滿射必須命中 P(A)\mathcal{P}(A) 中的所有元素——但 DD 逃脫了。

矩陣圖示

若你能將 AA 的元素列為 a0,a1,a2,…a_0, a_1, a_2, \ldots,你可以將 ff 想像成一個無限的成員資格表,其中格點 (i,j)(i, j) 記錄是否 aj∈f(ai)a_j \in f(a_i):

a0a_0a1a_1a2a_2⋯\cdots
f(a0)f(a_0)?
f(a1)f(a_1)?
f(a2)f(a_2)?
⋮\vdots⋱\ddots

粗體的對角線條目回答了「ai∈f(ai)a_i \in f(a_i)?」對每個 ii 的問題。對角集 DD 透過翻轉每個對角線條目來構造:恰好當第 ii 個對角線條目回答「否」時,將 aia_i 包含在 DD 中。由此得到的行在列 aia_i 上與第 ii 行不同,對每個 ii 都如此——所以 DD 與表中的任何行都不匹配。

這個論證對任意集合 AA(無論可數與否)都有效。矩陣只是一個視覺化工具;上一節的正式證明不需要列出元素。

無限的基數塔

對有限集合,方程式 (1)(1) 化簡為 n<2nn < 2^n,對所有 n≥0n \geq 0 都成立。當應用於無限集合時,這個定理變得遠更令人驚訝。

將 (1)(1) 應用於 N\mathbb{N},然後應用於 P(N)\mathcal{P}(\mathbb{N}),如此繼續:

∣N∣  <  ∣P(N)∣  <  ∣P(P(N))∣  <  ⋯|\mathbb{N}| \;<\; |\mathcal{P}(\mathbb{N})| \;<\; \bigl|\mathcal{P}(\mathcal{P}(\mathbb{N}))\bigr| \;<\; \cdots

這是一個永不終止的嚴格遞升無限基數鏈。沒有「最大的」無窮——冪集運算永遠產生一個嚴格更大的無窮。無窮,原來有許多不同的大小。

一個值得注意的特殊情形與分析學相連:∣P(N)∣=∣R∣|\mathcal{P}(\mathbb{N})| = |\mathbb{R}|。這意味著實數嚴格大於自然數。你將在不可數集合的檢查點中看到這個結論的直接證明。

摘要

  • 康托定理 (1)(1) 指出,對任意集合 AA,不存在從 AA 到 P(A)\mathcal{P}(A) 的滿射,所以 ∣A∣<∣P(A)∣|A| < |\mathcal{P}(A)|。
  • 容易的方向是單元素單射 a↦{a}a \mapsto \{a\},它表明 ∣A∣≤∣P(A)∣|A| \leq |\mathcal{P}(A)|。
  • 對角論證定義 D={x∈A∣x∉f(x)}D = \{x \in A \mid x \notin f(x)\},一個 AA 的子集,它處於每個候選滿射 f ⁣:A→P(A)f \colon A \to \mathcal{P}(A) 的值域之外。
  • DD 逃脫 ff 的值域,因為對每個 x∈Ax \in A,它在 xx 的成員關係上與 f(x)f(x) 不一致。
  • 反覆應用定理給出一個無限嚴格遞升塔 ∣N∣<∣P(N)∣<⋯|\mathbb{N}| < |\mathcal{P}(\mathbb{N})| < \cdots:存在無窮多個不同大小的無窮。
  • 特別地,∣P(N)∣=∣R∣|\mathcal{P}(\mathbb{N})| = |\mathbb{R}|,所以實數構成比自然數嚴格更大的無窮。