«Кантор. Бесконечность в математике.»

Кантор. Бесконечность в математике. (fb2) - Кантор. Бесконечность в математике. [Бесчисленное поддается подсчету] 1997K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Густаво Эрнесто Пинейро

Gustavo Ernesto Pineiro Наука. Величайшие теории: выпуск 30: Бесчисленное поддается подсчету. Кантор. Бесконечность в математике.

Пер. с итал. — М: Де Агостини, 2015. — 168 с.

ISSN 2409-0069

© Gustavo Ernesto Pineiro, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Еженедельное издание

Введение

Когда в звездную безлунную ночь вдали от городских огней мы любуемся восхитительным зрелищем, в глубине души рождается тревожное чувство: насколько же мала наша планета в сравнении с бесконечностью!

Бесконечность — не только сложное математическое понятие. Дуализм бесконечного — того, что буквально «не имеет конца», — и его противоположности, конечного — того, что рано или поздно заканчивается, — вероятно, сопровождал человечество с тех самых пор, когда первый Homo sapiens задумался, есть ли предел у неба, можно ли достичь горизонта, действительно ли заканчивается наша жизнь или каким-то образом непрерывно продолжается.

Но бесконечность также способна вызывать головокружение и, согласно древнегреческому философу Зенону Элейскому, парализовать всю Вселенную. В VI веке до н.э. Парменид Элейский — некоторые историки считают его отцом западной метафизики — постулировал существование бытия, главная характеристика которого сводится к тому, что оно существует. Бытие существует, оно есть.

Отталкиваясь от этого, Парменид заключил, что бытие вмещает в себя весь мир, ибо будь в нем некий участок, где его нет, это означало бы, что бытия в нем не существует. Это является терминологическим противоречием, то есть такое невозможно. Следовательно, бытие вмещает в себя всю Вселенную. Другими словами, вся она, включая нас, составляет бытие. Бытие неизменно, оно не может меняться. Предположим, что оно перешло из состояния А в состояние В. В таком случае оно перестало существовать в состоянии А, а это невозможно, потому что бытие не может прекратить свое существование. Следовательно, бытие и вся Вселенная неизменны. Это означает, что хотя, как нам кажется, мы наблюдаем изменения и движение, на самом деле их не существует. Даже времени не существует: у бытия нет ни прошлого, ни будущего — только настоящее.

Ученик Парменида Зенон выдвинул целый ряд заключений, парадоксов. Как и его учитель, он утверждал: изменений и движения не существует. То, что мы видим, — заблуждение, в которое нас вводят органы чувств, а разум и логика в состоянии это доказать.

Во всех парадоксах Зенона так или иначе присутствует понятие бесконечности. В одном из них утверждается, что если мы бросим камень в дерево, растущее в одном метре от нас, вопреки увиденному камень никогда не попадет в него, более того, он так и останется у нас в руке.

Зенон рассуждал следующим образом: чтобы долететь до дерева, камень должен преодолеть расстояние в полметра, а до этого — четверть метра, а еще раньше — восьмую часть метра, шестнадцатую и так далее. Чтобы угодить в дерево, камню придется совершить бесконечное число переходов. Но невозможно выполнить бесконечное количество движений за конечное время. Поэтому, заключает Зенон, камень никогда не коснется дерева. Эти же рассуждения справедливы и для миллиметрового масштаба, и для тысячной доли миллиметра. Действительно, получается, что камень никогда не отделится от нашей руки. Таким образом, по Зенону, бесконечное позволяет показать, что Вселенная неизменна.

В IV веке до н.э. Аристотель, заложивший основы систематического изучения логики и науки в целом, написал трактат «Физика». Среди прочих вопросов в нем исследовалось и движение тел. Но сначала Аристотелю предстояло доказать, что движение вообще существует в действительности, а значит, опровергнуть доводы Парменида и Зенона.

Если бытие не может не существовать, то как оно способно изменять свое состояние, переставать быть? Аристотель говорит, что оно есть, но иногда оно состоит в потенции, а иногда — в действии. Когда ребенок вырастает и оказывается взрослым, он не перестает быть ребенком, ребенок — это взрослый в потенции, который становится взрослым в действии. Ребенок изменился, но не прекратил существовать. Зерно — это растение в потенции, белый лист — текст в потенции и так далее. Несколько веков спустя Микеланджело Буонаротти высказал похожую мысль: в глыбе мрамора уже содержится скульптура, и нужно только отсечь все лишнее. Так Аристотель совместил представление Парменида о бытии с возможностью изменения.

После того как было доказано, что бытие способно изменяться, как можно опровергнуть аргументы Зенона? Во всех его парадоксах предполагается, что пространство и время бесконечно делимы. В примере с деревом между деревом и рукой имеется бесконечное количество переходов. Тогда Аристотель сказал, что бесконечности не существует. Точнее, она существует только в потенции и никогда — в действии. Идея бесконечности в потенции подразумевает, что некое количество может возрастать сколько угодно, но все равно в итоге будет конечным, идея бесконечности в действии — что это количество на самом деле бесконечно. Это различие очень важное, и мы еще к нему вернемся. По Аристотелю, можно допустить наличие количества, которое возрастает неопределенным образом, но всегда будет конечным, однако нельзя принять идею действительно бесконечного количества. Допустимо разделить расстояние между рукой и деревом на десять, сто, тысячу частей или на любое конечное количество каких угодно единиц измерения, но нельзя утверждать, что оно делится на действительно бесконечное количество фрагментов.

Аристотель не ограничился постулированием несуществования актуальной бесконечности, он привел несколько аргументов в поддержку этого тезиса, которые мы рассмотрим далее. Тем не менее необходимо сказать, что аристотелевское отрицание актуальной бесконечности оказывало влияние на европейскую философию на протяжении двух тысячелетий.

Помимо силы доводов столь длительное господство его идеи объясняется двумя причинами.

Прежде всего, человеческий разум не в состоянии представить себе актуальную бесконечность, поэтому нам проще принять то, что на самом деле ее не существует. Мы скорее представим потенциальную бесконечность — количество, которое бесконечно возрастает, — но не актуальную бесконечность. Как выглядела бы, например, прямая действительно бесконечной длины? Нужно представить себе линию целиком (то есть то, что мы «видим» в воображении, не должно быть отрезком прямой), но при этом бесконечную. Однако наш разум неспособен создать такой образ. Мы можем представить линию, которая уходит за горизонт, и сказать, что она продолжается до бесконечности, но в таком случае мы «видим» прямую с длиной, «бесконечной в потенции», так как наше зрение охватывает только ее часть. Или же возьмем числа 0,1,2,3,4,5 и так далее. Представить этот ряд как действительно бесконечный значило бы представить все числа без исключений в одном списке, но при этом этот список не должен кончаться. Нашему разуму это не под силу.

Вторая причина, по которой аристотелевский подход к бесконечности имел такой успех, состоит в том, что, рассуждая о бесконечности как о реальности, нельзя не столкнуться с логическими противоречиями или прийти к странным выводам — как Зенон, заключивший, что изменений и движения не существует. Еще один пример относится к XVII веку, когда перед Галилео Галилеем возникли противоречия, впоследствии приведшие его к отрицанию актуальной бесконечности. В XIX веке чешский математик Бернард Больцано попытался развить теорию математической бесконечности, но и он обнаружил парадоксы, для которых не смог найти удовлетворительного решения. Далее мы разберем оба случая.

Не все соглашались с идеей Аристотеля. Так, в I веке римский философ и поэт Лукреций в своей учебной поэме De rerum natura («О природе вещей») провозгласил, что Вселенная бесконечна. В противном случае, отмечал он, у нее была бы граница, и если мы бросим камень с силой, достаточной, чтобы он пролетел через нее, то камень будет существовать уже вне Вселенной. А это невозможно, так как ничто не существует за ее пределами по определению. Сегодня мы знаем, что аргументация Лукреция ошибочна и Вселенная может быть конечной, не имея при этом границы, как поверхность шара — конечная, но без предела. Согласно современным космологическим теориям, вполне вероятно, что Вселенная конечна. Тем не менее возражения Аристотелю были редки, и, как уже было сказано, его идеи господствовали в философии и математике примерно до 1870 года. Тогда русско-немецкий математик Георг Кантор, как он сам признавал, фактически против воли следуя логике собственных исследований, ввел в математику изучение актуальной бесконечности. Задача была непростой, не столько из-за сложности, сколько из-за резкого неприятия ее многими коллегами. Речь шла о нарушении тысячелетней традиции. Ученого даже называли «шарлатаном» и «развратителем молодежи».

Однако Кантора это не остановило: он был убежден в вероятности и даже необходимости создания математической теории бесконечности. Благодаря своей непреклонной логике он развил одну из самых удивительных на сегодняшний день теорий и использовал новый подход к математике — более свободный и дающий множество возможностей. Одной из самых оригинальных концепций Кантора стали ординалы — числа, позволяющие вести исчисление за пределами бесконечности. После бесконечного ряда чисел 0, 1,2, 3, 4, 5,..., по утверждению Кантора, следует трансфинитное (то есть ординальное) число ω. Затем идут ω + 1, ω + 2, ω + 3,..., а после этого ряда ω + ω + 1, ω + ω + 2,... и так далее.

Но правильно ли «изобретать» эти числа таким произвольным способом? Что обозначает число ω? До XIX века все понятия, которыми оперировали математики, были тесно связаны с более или менее конкретными задачами, с ситуациями, представляемыми или связанными с реальностью. Например, описание физических явлений, изучение свойств геометрических объектов или конечных рядов чисел (1, 2, 3, 4,...). Так, 0, обозначающий «количество, которого нет», не сразу был признан полноценным числом, на это ушло несколько столетий. То же самое и с отрицательными числами: еще в XVIII веке Лейбниц не считал их существующими. В целом числа признавались, только если они так или иначе обозначали некое количество, которое можно зрительно представить.

Число ω обозначает актуально бесконечное количество; ни один предмет, ни одно физическое явление не поможет представить его, оно есть только в нашем сознании. Тем не менее Кантор со своими строго логическими рассуждениями «заставил» нас принять его за существующее, для чего ученому пришлось изменить подход к математике. Сегодня к математическим концепциям больше не предъявляются требования соответствовать реальности или представлять конкретное явление. Они только должны быть логически последовательными. За исключением этого ограничения, математики абсолютно вольны создавать, исследовать, анализировать, играть с понятиями, идеями и теориями.

После Кантора сущность математики изменилась, и он с большим удовлетворением принял бы нынешнее положение вещей — когда ученые могут свободно выдвигать теории и концепции. Ведь он утверждал, что чистая математика должна называться свободной. Говоря его словами, «сущность математики — в ее свободе».

1845 3 марта в Санкт-Петербурге у Георга Вальдемара Кантора и Марии Анны Бойм рождается сын Георг Фердинанд Людвиг Филипп Кантор.

1856 Семья переезжает в Германию.

1862 Георг хочет изучать математику, но отец противится желанию сына, и юноша поступает на инженерный факультет Высшей технической школы в Цюрихе. Несколько месяцев спустя отец все-таки разрешает ему заниматься математикой в том же учебном заведении.

1863 Умирает отец Кантора. Семья переезжает в Берлин, где юный Георг завершает свое математическое образование.

1867 Получает докторскую степень в Берлинском университете.

1869 Кантор поступает на работу в Галльский университет.

1872 Знакомится с Рихардом Дедекиндом. Многие идеи о бесконечности будут впервые высказаны Кантором в письмах Дедекинду.

1874 Кантор женится на Валли Гутман; у них будет шестеро детей. В том же году он публикует статью Ober eine Eigenschaft des Inbegriffes alter reellen algebraischen Zahlen («Об одном свойстве совокупности всех действительных алгебраических чисел»), в которой впервые появляются его идеи о бесконечности, хотя по совету Карла Вейерштрасса он и завуалировал их.

1878 Кантор публикует Ein Beitrag zur Мапnigfaltigkeitslehre (4К учению о многообразиях»), где открыто излагает свои идеи о бесконечности. Леопольд Кронекер использует все свое влияние, чтобы воспрепятствовать изданию статьи.

1883 Выходит в свет работа Grundlagen einer allgemeinen Mannigfaltigkeitslehre (4 Основы общего учения о многообразиях»), апогей математического творчества Кантора.

1884 В мае у Кантора случается приступ депрессии. Он полностью оставляет занятия математикой более чем на пять лет.

1890 Создается Deutsche MathematikerVereinigung (4Немецкое математическое общество»), и Кантор становится его первым президентом.

1892 Кантор публикует работу Ober eine elemental Frage der Mannigfaltigkeitslehre («Об одном элементарном вопросе учения о многообразиях»), в которой представлен его знаменитый диагональный метод.

1895 Выходит в свет первая часть Beitrage zur Begmndung der transfi niten Mengenlehre («К обоснованию учения о трансфинитных множествах»), вторая часть будет опубликована в 1897 году.

1899 16 декабря умирает 13-летний сын Кантора. У ученого начинается душевное расстройство, от которого он так и не оправится до конца жизни.

1918 6 января Кантор умирает в психиатрической лечебнице в Галле.

ГЛАВА 1 Где начинается бесконечность

Есть вопросы, которыми человечество задается с тех самых пор, когда первые мужчины и женщины усаживались у огня и принимались размышлять и изучать то, что их окружало. Существовал ли мир всегда или у него было начало? Он перестанет существовать когда-нибудь? Есть ли предел у неба или оно не имеет преград?

В основе всех этих вопросов лежит одно из самых невероятных и глубоких понятий — бесконечность.

Почти все области математики являются результатом долгих исторических процессов, десятки или сотни лет они развивались благодаря множеству ученых, и трудно, если не невозможно, однозначно указать на одного зачинателя. Так, корни геометрии и алгебры уходят в Древний Египет и Месопотамию, а более «молодые» разделы науки, например методы счисления, выведены в конце XVII века одновременно и независимо друг от друга англичанином Исааком Ньютоном и немцем Готфридом Вильгельмом фон Лейбницем. Правда, они выразили идеи, которые их предшественники изучали веками (мы подробнее рассмотрим это в главе 3).

Однако математическая теория бесконечности (и теория множеств — как мы увидим, в сущности это одно и то же) появилась благодаря таланту и воображению единственного человека, создавшего ее фактически из ничего, — математика русско-немецкого происхождения Георга Кантора.

Можно даже назвать конкретную дату, когда произошел творческий прорыв, приведший Кантора к этой теории. Он писал 5 ноября 1882 года своему другу и коллеге Рихарду Дедекинду: 

«[...] после наших недавних встреч в Гарцбурге и Эйзенахе [немецких городах, где они виделись в сентябре 1882 года] по воле всемогущего Бога меня озарили самые удивительные, самые неожиданные идеи о теории ансамблей и теории чисел [он имеет в виду, как мы увидим в главе 4, бесконечные числа]. Скажу больше, я нашел то, что бродило во мне в течение долгих лет». 

Как же Кантор пришел к этим «удивительным открытиям»? Что послужило началом «брожения»? Чтобы понять это, мы шаг за шагом проследим путь его идей. Начнем, как и полагается, сначала.

ИЗ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА В ГАЛЛЕ

Георг Фердинанд Людвиг Филипп Кантор родился 3 марта 1845 года в Санкт-Петербурге. Его отец, Георг Вальдемар Кантор, успешный торговец, датчанин по происхождению, был очень религиозен и ценил культуру и искусства. Мать, Мария Анна Бойм, дочь русских скрипачей, сама виртуозно играла на скрипке. Георг унаследовал ее музыкальный талант и годы спустя, то ли в шутку, то ли всерьез, сокрушался, что отец не позволил ему стать профессиональным скрипачом.

Музыка и искусство всегда были важны для Кантора. Он считал, что математика и искусство не так уж далеки друг друга и что математик должен обладать и творческой жилкой (это мнение разделяли многие его современники, а также автор этих строк). Так, в 1833 году он написал статью, в которой упоминал об «удивительных открытиях» (позже он рассказал о них в письме Дедекинду); среди прочего в ней были такие слова: «Вся общность математики заключается в ее свободе» (курсив Кантора). В ней же он писал: 

«В силу этого исключительного положения, отличающего ее от всех других наук и объясняющего сравнительную легкость и отсутствие принуждения в занятии ею, она заслуживает совершенно особенным образом имени свободной математики — название, которое, будь мне предоставлен выбор, я дал бы охотнее, чем ставшее обычным наименование «чистая» математика». 

Таким образом, математик может отпустить свое воображение в «свободный полет» и оперировать понятиями как ему вздумается — при условии, что они не ведут к логическим противоречиям. И если противоречий нет, то, как утверждал Кантор, можно быть уверенными, что эти объекты действительно существуют. Выходит, математик, способный выводить новые понятия, одновременно и ученый и художник. Эти идеи не просто отражали мысль Кантора, они, особенно в этой знаковой статье, играли стратегическую роль, о чем мы поговорим в следующих главах.

Но вернемся к первым годам жизни Кантора. У его отца было слабое здоровье, и в 1856 году врачи посоветовали ему уехать от суровых петербургских зим в зону более благоприятного климата. Тогда Кантор-отец завершил все свои дела в России, и семья перебралась в Германию. Сначала они поселились в Висбадене, где Георг посещал гимназию, но вскоре переехали во Франкфурт. Ученый всегда с ностальгией вспоминал детство, проведенное в Санкт-Петербурге, и хотя всю оставшуюся жизнь прожил в Германии, никогда не ощущал себя там как дома. Насколько известно (и это очень похоже на его романтическую и даже экзальтированную натуру), после 1856 года он больше никогда не писал по-русски. По дневникам времен гимназии видна его все возрастающая склонность к математике. Хотя отец настаивал на том, чтобы Георг изучал инженерное дело, в 1863 году он поступил в Берлинский университет, желая посвятить себя своему настоящему призванию, и даже страсти, — математике. В то время это был один из главных мировых математических научных центров. Здесь преподавали знаменитые математики Карл Вейерштрасс и Эрнст Куммер, оба они стали учителями Кантора. Также его наставником был Леопольд Кронекер, со временем тот оказался одним из самых яростных противников теории бесконечности.

Кантор окончил Берлинский университет в 1867 году и спустя два года получил место профессора в Галльском университете. Забегая вперед, отметим, что именно в Галле ученый развил свою теорию математической бесконечности, именно там он сделал открытия, благодаря которым стал одной из важнейших фигур в математике. Его идеи не всегда встречали понимание и, напротив, часто вызывали отторжение. Мы уже упомянули о Кронекере, который сделал все возможное, чтобы воспрепятствовать распространению идей Кантора. Еще один пример относится к 1874 году, когда Кантор захотел опубликовать свои первые открытия в исследовании бесконечности. Черновик его статьи увидел Вейерштрасс и посоветовал Кантору не упоминать о самых радикальных выводах разбираемых теорем. Более того, он предложил вообще не говорить о бесконечности. Почему у Кантора было так много противников? Какие выводы следовали из статьи 1874 года и в чем заключалась их революционность? Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны сначала ознакомиться с историей бесконечности.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ИЛИ АКТУАЛЬНАЯ

Что такое бесконечность? Точнее, что мы имеем в виду, когда утверждаем, что совокупность объектов бесконечна? Прежде всего уточним, что будем использовать слово «объект» в самом широком значении, включающем в себя и абстрактные, и воображаемые объекты. Например, эта группа может состоять из всех дней декабря 3000 года.

Проанализируем сперва противоположное понятие, которое нам гораздо ближе, — конечность. Что мы подразумеваем, говоря, что некая группа объектов конечна?

Само по себе это слово означает «то, что заканчивается», «то, что не продолжается бесконечно». В таком случае принято думать, что группа объектов конечна, если хотя бы теоретически их можно пересчитать по одному так, что в определенный момент подсчет завершится.

Родители Кантора — Георг Вольдемар Кантор, успешный предприниматель, и Мария Анна Бойм, виртуозная скрипачка.

Мемориальная доска на доме в Санкт- Петербурге, где родился Кантор.

Берлинский университет, 1880 год. Здесь в 1867 году Кантор получил степень доктора математики.

Совокупность всех дней декабря 3000 года, которую мы привели выше, конечна. Возьмем еще один пример: представим, что всех взрослых людей, населяющих Землю в данный момент, попросили герметически закрыть бутылки с водой. Количество молекул кислорода, содержащихся в миллиардах этих бутылок, все равно будет конечным. Разумеется, на практике в этом случае было бы чрезвычайно трудно подсчитать все объекты, входящие в эту группу, но конкретные сложности не имеют значения для понятия конечности. Главное, что теоретически рано или поздно подсчет завершился бы, даже если на это ушли бы века. Бесконечной же группа является, если при пересчете по одному всех составляющих его частей они никогда не закончатся. Подчеркнем, что в этом определении мы используем слово «никогда» не в метафорическом смысле, не как синоним «очень большого количества времени», его надо понимать буквально: «никогда, бесконечно».

Понятие бесконечности — это замечание очень важно — трактуется двумя различными способами. Она может быть потенциальной или актуальной.

Чтобы понять разницу между ними, представим себе человека, который записывает все натуральные числа (числа, которые получаются путем прибавления 1, начиная с 0, то есть 0, 1, 2, 3, 4,...). Он начинает писать, в какой-то момент доходит до 100, потом до 1000, наконец до 10000. Работа, за которую он взялся, не закончится никогда, потому что когда он дойдет до 100000, ему надо будет продолжить со 100001, когда дойдет до 1000000 — с 1000001 и так далее. Он никогда не доберется до последнего натурального числа, просто потому что его не существует, эти числа никогда не закончатся.

Я против использования бесконечных величин как чего-либо законченного, это использование недопустимо в математике.

Карл Фридрих Гаусс, письмо от 1831 года

Писец поймет, что всей его жизни не хватит, чтобы завершить этот труд, и возьмет ученика, чтобы тот продолжил записывать числа после него. Этот второй писец, в свою очередь, возьмет еще одного ученика и так далее.

Будет ли список чисел, составленный всеми этими писцами, бесконечным? Ответ «да, будет, но только в потенции». Список чисел не является статичной группой, он постоянно растет, и этот рост никогда не закончится. На определенный момент времени — не важно, насколько далеко в будущем, — список будет конечным, но продолжит расти без ограничений.

Таким образом, потенциальная бесконечность — это бесконечность списка, который конечен на каждый момент времени, но может расти безгранично. В этом случае бесконечность приобретает негативный оттенок — это свойство, которое делает невозможным завершение работы.

Теперь возьмем группу, состоящую из всех натуральных чисел, абсолютно всех без исключения (вне зависимости от того, записаны они или нет). Разумеется, список будет бесконечным, только в таком случае мы имеем дело со статичной, завершенной бесконечностью. В эту группу входят все числа, к ней больше ничего не надо добавлять. Это и есть актуальная бесконечность.

Перенесем это понятие на такие величины, как вес, объем или длина. Например, если нарисовать отрезок (прямую, соединяющую точку А с точкой В), его длина, разумеется, будет конечной. Но геометрия говорит нам, что продолжать его можно сколько угодно. И если мы предположим, что это продолжение будет бесконечным, то получим линию с потенциально бесконечной длиной. Она всегда конечна, но способна бесконечно возрастать (см. рисунок 1).

Прямые, которые рассматриваются в современной геометрии, тем не менее имеют длину, считающуюся актуально бесконечной, и они тянутся непрерывно без начала и конца. Заметим, что такую линию невозможно изобразить.

Интересно, что все группы или величины, связанные с природными явлениями, никогда не являются актуально бесконечными, напротив, большинство из них конечны, и лишь очень малая часть — бесконечны, но только в потенции. Так, согласно принятым на сегодняшний день физическим теориям материя не является бесконечно делимой. Каждый атом состоит из определенного количества элементарных неделимых частиц. Возможно даже, что ни время, ни пространство не делимы бесконечно.

С другой стороны, космологи утверждают, что объем и диаметр Вселенной вполне могут быть потенциально бесконечными (диаметр Вселенной — это наибольшее расстояние, которое можно измерить, между двумя ее точками).

Число песчинок, содержащихся в шаре, равном миру, меньше тысячи единиц чисел «седьмых» [это единица с 51 нулем, огромное, но конечное число].

Архимед, «Псаммит»

Если верно, что Вселенная будет продолжать расширяться неопределенное количество времени, то и ее возраст в секундах будет потенциально бесконечен. Продолжая пример с писцами, представим, что они записывают по числу на каждую секунду, прошедшую с момента Большого взрыва. Список запротоколированных секунд постоянно возрастал бы, оставаясь при этом конечным.

Резюмируя, скажем, что время, материя и пространство были бы конечны или, максимум, бесконечны в потенции. Поэтому неудивительно, что в IV веке до н.э. Аристотель утверждал, будто актуальной бесконечности не существует.

РИС.1

БЕСКОНЕЧНОСТЬ ПО АРИСТОТЕЛЮ

Аристотель первым стал исследовать различие между «потенциальным бытием» и «актуальным». Можно сказать, что ребенок — это потенциальный взрослый, а глыба мрамора — потенциальная скульптура. Когда ребенок вырастает, он становится «актуальным» взрослым; скульптор превращает мрамор в актуальную скульптуру. «Звание потенциального мудреца равно дается и тому, кто ничего не изучает», — утверждает Аристотель в книге IX своей «Метафизики», видимо с долей иронии. В том же труде он говорит о бесконечности: 

«Беспредельное же существует в возможности не в том смысле, что оно когда-то будет существовать отдельно в действительности». 

Таким образом, бесконечность всегда существует потенциально, в возможности, но никогда не бывает актуальной. На протяжении более двух тысяч лет, точнее до середины XIX века, аристотелевское отрицание актуальной бесконечности поддерживали почти все западные ученые — и философы, и математики. Поэтому стоит задержаться по крайней мере на двух аргументах, приведенных Аристотелем для обоснования своего утверждения.

Не следует, однако, понимать бытие [бесконечного] в возможности [в том смысле], что как вот этот [материал] есть статуя в возможности, поскольку он [на деле] может стать статуей, так же может стать актуально существующим какое-нибудь бесконечное.

Аристотель, «Физика»

В книге III «Физики» Аристотель говорит, что существование актуальной бесконечности недопустимо, поскольку во Вселенной нет ни одного тела с бесконечным объемом, ни одного промежутка времени с бесконечной длительностью, другими словами, нет актуально бесконечных величин. Аристотель подкрепляет это несуществование философскими рассуждениями. Однако не будем останавливаться на них, поскольку современная физика соглашается с древнегреческим ученым. Например, если объем Вселенной бесконечен только в потенции, в ней не может быть тела с актуально бесконечным объемом.

Поскольку не существует бесконечных величин, нет смысла говорить об «актуально бесконечных числах» или об «актуально бесконечном количестве», ведь они ничего бы не измеряли и были бы лишены всякого смысла.

Сопоставим рассуждения Аристотеля (определявшие европейскую науку тысячи лет) с процитированным в начале главы письмом, в котором Кантор сообщает Дедекинду, что он пришел к «самым удивительным, самым неожиданным идеям» в теории бесконечных чисел. Это противоречие является первой причиной такой революционности и такого количества противников. Второй аргумент, который мы прокомментируем, Аристотель приводит в книге VIII «Физики»: неверно, что отрезок состоит из бесконечного числа точек. Ученый приводит философское доказательство, но оно также может быть перенесено в область математики. Уточним, что говоря «точка», мы подразумеваем «математическую точку», то есть объект, не имеющий длины, ширины и высоты. «Орфографическая точка», которая ставится в конце предложения, не является математической — это просто очень маленькая окружность, точнее цилиндр, нарисованный чернилами, с очень маленьким, но не нулевым основанием и очень маленькой, но не нулевой высотой (см. рисунок 2). В случае с математической точкой ее длина по определению всегда равна нулю. Если мы соединим несколько точек, их общая длина будет равна 0 + 0 + 0 + 0 +... Не важно, сколько раз мы сложим нули — определенное число или бесконечное (даже если бы это было возможно), — сумма всегда будет равна нулю. Итак, если бы отрезок состоял из точек, он имел бы нулевую длину. Тем не менее мы знаем, что длина отрезков больше нуля, значит, они не могут состоять из точек. Мы вернемся к этому парадоксу в главе 3. Получается, что отрезок невозможно разделить на бесконечное количество частей. Возьмем отрезок длиной 10 см и разделим его на 10 одинаковых частей. Каждая из них будет равна 1 см. Если мы разобьем его на 100 равных частей, каждая будет равна 0,01 см. Если же мы разобьем его на бесконечное количество частей, каждая из них будет равна 0 см. Получится, что отрезок состоит из частей, равных нулю. Это невозможно, следовательно его нельзя разделить на бесконечное число частей.

Аристотель говорит, что этот второй аргумент доказывает существование бесконечности по делению (нельзя разделить объект на бесконечное количество частей), а первый аргумент — по сложению (не существует бесконечно больших величин). В любом случае, заключает он, актуальной бесконечности не существует.

РИС. 2

БЕСКОНЕЧНОСТЬ ПО ГАЛИЛЕЮ

Начиная со Средневековья положение Аристотеля о бесконечности стало практически религиозной догмой. Например, в V веке Святой Августин (354-430) в самом знаменитом своем труде «О граде Божием» писал: «Неужели Бог не знает всех чисел вследствие их бесконечности», не следует «признавать их не подлежащими божественному ведению, [...] мы не должны сомневаться в том, что Ему известно всякое число», хотя бы потому, что «разум Его неизмерим». Таким образом, актуальная бесконечность существует, но ее знание подвластно только безграничному разуму Бога. Требовать от человеческого разума понимания бесконечности — означает поставить его в один ряд с божественным, что является ересью. Георг Кантор был религиозным человеком и отдавал себе отчет в том, что касается этой стороны вопроса. Как мы увидим, развитие собственной математической теории актуальной бесконечности стоило ему немалых душевных усилий.

Теперь перенесемся во времени и рассмотрим работу Галилео Галилея (1564-1642) «Беседы и математические доказательства относительно двух новых наук» (1638). Как видно из названия, она написана в форме дискуссий. В них участвуют три персонажа: Сальвиати, выражающий точку зрения Галилея, Сагредо, образованный человек той эпохи, и Симплицио, представитель традиционной науки, основывающейся в том числе на трудах Аристотеля.

СОВЕРШЕННЫЕ ЧИСЛА

Гипотеза — это утверждение, ложность или истинность которого еще не доказана. Многие из них касаются бесконечности, например гипотеза о совершенных числах. Совершенное число равно сумме собственных делителей (включая 1, но не считая само число). Например, 6 — совершенное число, поскольку его делителями являются 1,2,3, а 6 = 1 + 2 + 3. Еще один пример — число 28 = 1 + 2 + 4 + 7 +14. Согласно пока не подтвержденной гипотезе, количество совершенных чисел бесконечно.

Две новые науки, упомянутые в заголовке этого труда, — статика и динамика, а вся книга в целом представляет собой критику аристотелевских законов физики. Хотя Галилей и разрушает большую часть постулатов древнегреческого ученого, он разделяет его настороженность в отношении актуальной бесконечности. Рассмотрим аргументы, предвосхищающие рассуждения Кантора.

Для начала вообразим себе огромный бальный зал, в котором находится большое, но конечное количество мужчин и женщин (см. рисунок 3). Предположим, что мы хотим узнать, кого из присутствующих больше: женщин, мужчин или же тех и других поровну. Один из способов ответить на этот вопрос состоит в том, чтобы пересчитать всех собравшихся женщин, потом мужчин и сравнить полученные данные. Поскольку это количество конечное, подсчет производится без проблем. Но есть и более изобретательный метод: когда заиграет музыка, можно попросить всех разделиться на пары (см. рисунок 4). В каждой паре должен быть один мужчина и одна женщина.

Если партнеров хватает всем и ни один мужчина и ни одна женщина не остаются без пары, то в зале одинаковое количество мужчин и женщин. Если же у всех женщин есть пара, но несколько мужчин остались одни, значит мужчин больше. Наконец, если пара есть у всех мужчин, но не у всех женщин, то в зале больше женщин.

Таким образом, если у нас имеются две законченные группы и каждый член одной из них соотносится с членом из противоположной группы так, что не остается «лишних», мы можем быть уверены, что в этих группах одинаковое количество членов. Можно ли перенести этот принцип на бесконечные группы?

От лица персонажа Сальвиати Галилей рассмотрел две конкретные группы: состоящую из натуральных чисел 0,1,2,3, 4,5,... и из квадратов чисел, получаемых при умножении числа на само себя, 0,1,4,9,16, 25,... Очевидно, считает Галилей, что если мы объединим группы квадратов чисел и не квадратов, то этих последних будет больше.

РИС.З

РИС. 4

Следовательно, в первой группе больше членов, чем во второй. На самом деле Галилей начинал считать с 1, а не с 0, как мы, но это не меняет сути.

С другой стороны, продолжает ученый, каждому числу из первой группы можно подобрать число из второй. Достаточно взять натуральное число и его квадрат.

Это распределение по парам доказывает, что натуральных чисел столько же, сколько их квадратов, и противоречит сказанному выше — тому, что натуральных чисел больше. Так что же верно? Как решить этот парадокс? Галилей отвечает так:

«[...] понятия «больший», «меньший», «равный» не имеют места не только между бесконечно большими, но и между бесконечно большим и конечным».

Другими словами, он приходит к выводу, что абсурдно сравнивать группы с бесконечными членами и нельзя сказать, что одна бесконечная группа больше, меньше или равна другой бесконечной группе. И тем не менее примерно 250 лет спустя Георг Кантор решил измерить и сравнить бесконечные группы и сделал выводы, которые и Галилей, и Аристотель сочли бы неприемлемыми. Об этом следующая глава.

«КНИГА ПЕСКА»

«Книга песка» — это рассказ аргентинского писателя Хорхе Луиса Борхеса (1899-1986) из одноименного сборника, опубликованного в 1975 году. В нем протагонист, сам Борхес, покупает у уличного торговца книгу. Выясняется, что в ней бесконечное количество страниц. У нее нет ни начала, ни конца; открыв какую-то страницу, ее невозможно найти вновь. Этот чудовищный предмет внушает Борхесу страх, но он боится, что и огонь, который сожжет бесконечную книгу, будет «тоже бесконечным», и вся планета задохнется от его дыма. Тогда Борхес решает спрятать ее на первой попавшейся полке в Национальной библиотеке Буэнос- Айреса.

Хорхе Луис Борхес, 1976 год.

ГЛАВА 2 Кардинальные числа

Аристотель, Галилей и многие другие мыслители, жившие до XIX века, безапелляционно заявляли, что говорить о количестве членов бесконечного множества не имеет никакого смысла. В 1870-е годы этот подход был еще настолько распространен, что из осторожности никто бы не поставил его под вопрос, тем более в научной статье. Однако в 1874 году Кантор впервые ввел понятие «количества элементов бесконечного множества» и обозначил его как «кардинальное число (или мощность) множества».

Получив докторскую степень, еще в Берлине Кантор опубликовал три статьи в Zeitschrift fur Mathematik und Physik («Физико-математический журнал»): одну в 1868-м, а другие две — в 1869 году. В первой он рассматривал классическую арифметическую задачу и решал ее методами, которые даже по тем временам не были инновационными, зато в двух других приблизился к тому, что впоследствии обрело форму теории бесконечности.

Обе эти статьи были посвящены вычислению. В первой статье — (Jberdie einfachen Zahlensysteme («О простых числовых системах») — рассматривалось одно свойство иррациональных чисел, во второй — Zwei Satze iiber eine gewisse Zerlegung der Zahlen in unendliche Produckte («Две теоремы о разложении чисел на бесконечные множители») — возможность представить определенные числа как результат бесконечных произведений.

Тема «бесконечного произведения» затрагивала область исчисления, но надо пояснить, что здесь речь шла о потенциальной бесконечности. Так, если умножить 0,5 само на себя «бесконечное количество раз», то в результате получится 0, но это надо понимать в том смысле, что чем больше раз мы совершим это умножение, тем ближе мы подойдем к 0. Действительно, если мы перемножим 0,5 дважды, то получим 0,25; трижды — 0,125; четырежды — 0,0625, и так далее. Результат будет постепенно приближаться к 0. Здесь суть заключается в приближении, а не в актуально бесконечном произведении 0,5.

В наши дни [...] доказательства [...] Кантора по праву украшают мировой музей истории математики.

Мартин Гарднер, ^Нескучная математика. Калейдоскоп головоломок*, 1975 год

Пока Кантор писал эти статьи, на жизнь он зарабатывал уроками математики в женской гимназии и корпел над диссертацией на получение степени хабилитированного доктора. Она была необходима, чтобы преподавать в университете. Тема диссертации Кантора на латыни звучала как De transformatione jоплатит temariarum quadraticorum («О преобразовании тернарных квадратичных форм»).

Самым большим его желанием было получить место в университете Берлина или Геттингена, но пришлось довольствоваться положением в Галле. Он заступил на должность в 1869 году. Этот университет имел знаменательное прошлое, но в XIX веке слава его померкла. Кантор непрерывно пытался изыскать способ перевестись в Берлин или Геттинген, но все было напрасно, и ученый очень переживал по этому поводу.

В Галле под руководством Генриха Эдуарда Гейне (1821— 1881) Кантор окончательно сосредоточился на вычислении и с 1870 по 1872 год опубликовал пять статей (которые будут рассмотрены в следующей главе). В них он исследовал определенный тип бесконечных сумм. И хотя, как и бесконечные множества, они понимались потенциально, а не актуально бесконечными, именно вследствие этих первых работ в Галле Кантор задумался об актуальной бесконечности. Впервые она появилась в его научных трудах, хоть и неявно, в статье 1874 года.

Помимо публикации этой работы, разделившей его научную карьеру на «до» и «после», в 1874 году в жизни Кантора произошло еще одно важное событие — 9 августа он женился.

Валли Гутман, его невеста, тоже любила искусство, играла на фортепиано и брала уроки пения. Медовый месяц они провели в Интерлакене, туристическом городке Швейцарии. И чтобы лучше очертить характер ученого, отметим, что большую часть времени он беседовал о математике с Дедекиндом.

У Валли Гутман и Георга Кантора родились шестеро детей: четыре девочки и два мальчика. Веселый нрав Валли прекрасно дополнял серьезный и даже суровый характер Кантора и определял атмосферу их дома: как было принято в то время в кругах немецких университетских профессоров, семья вела очень активную общественную жизнь.

БЕСКОНЕЧНОСТЬ ПО КАНТОРУ

Теперь проанализируем статью liber eine Eigenschaft des Inbegriffes alter reellen algebraischen Zahlen («Об одном свойстве совокупности всех действительных алгебраических чисел»), опубликованную Кантором в 1874 году в «Журнале Крелле». В этой статье уже содержались основные идеи, которые позже позволили Кантору прийти к своей теории бесконечности, несмотря на то что Карл Вейерштрасс посоветовал ему скрыть их или хотя бы не подчеркивать их революционность. О чем же говорилось в статье? Что это были за идеи? Почему их следствия были столь провокационными? И что же это за «действительные алгебраические числа»?

Начнем анализ с одного из первых утверждений теории Кантора.

Оно гласит, что два множества предметов можно соотнести друг с другом, если член одного из них сопоставим с членом другого так, что ни в одном из этих множеств не останется члена без пары. Галилей проделал это с группами натуральных чисел и квадратных (см. рисунок).

Говоря математическим языком, эта операция является «установлением взаимно однозначного соответствия» между членами множеств.

Заметим, что если в обоих множествах больше не осталось членов, то сказать «два множества эквивалентны» — значит сказать, что в них одинаковое количество членов.

Теория Кантора основывается на том, что вопреки мнению Галилея этот принцип может быть перенесен на актуально бесконечные группы без какого-либо противоречия. То есть можно утверждать, что если два множества эквивалентны, в них одинаковое количество членов. Именно это и хотел доказать Кантор.

Вопросы бесконечности бросали вызов разуму и воображению человека, как никакая другая проблема за всю историю человеческой мысли.

Эдвард Каснер и Джеймс Ньюмен, «Математика и воображение», 1940 год

Однако говорить о «количестве членов» актуально бесконечного множества несколько странно, потому что, как сказал бы Аристотель, не существует числа, которое выражает это количество. (По крайней мере его не существовало в середине 1870-х годов. А позже, как мы увидим, оно появится. Отметим также, что знаменитый символ °°, введенный в 1655 году английским математиком Джоном Валлисом, обозначает потенциальную бесконечность, а не актуальную.) Так Кантор был вынужден ввести понятие «кардинальное число». Оно выражает идею количества членов законченной или актуально бесконечной группы, не говоря о количестве открыто. Вообще-то Кантор употребил термин «мощность», но после математики изменили его на «кардинальное число». Сегодня оба термина употребляются наравне.

Кардинальное число множества, по Кантору, — это характеристика, которая сохраняется после абстрагирования сущности его членов, а также их взаимоотношений.

Возьмем группу букв, составляющих слово «небо». Их кардинальное число, по определению Кантора, можно записать как ****. Эти символы обозначают членов группы, природа которой рассматривается как абстракция. Кардинальное число последовательности чисел 2,3, 5,7 тоже было бы ****.

У обеих групп одно и то же кардинальное число, поскольку у них одинаковое количество членов (четыре, разумеется). Действительно, **** могло бы стать пусть примитивным, но действенным способом обозначения числа 4. Кардинальное число множества натуральных чисел выглядело бы как *********** (символы продолжаются бесконечно). Таким же было бы и кардинальное число множества квадратных чисел. Следуя рассуждениям Кантора, если два множества эквивалентны, у них одинаковая мощность.

Как теория Кантора решает парадокс Галилея, рассмотренный в главе 1? С одной стороны, очевидно, что натуральных чисел больше, чем квадратных, поскольку натуральные включают в себя квадратные. С другой стороны, взаимно однозначное соответствие двух множеств предполагает, что в них одинаковое количество членов.

Ответ Кантора основывается на том, что первое утверждение Галилея ложное. То, что множество квадратных чисел является частью множества натуральных чисел, верно, но из этого нельзя сделать вывод, что их больше, чем квадратных.

Когда речь идет о бесконечных множествах, совокупность необязательно больше части; другими словами, для актуально бесконечных групп не всегда действуют те же правила, что и для законченных. Квадратные числа входят в группу натуральных, но мощность и тех и других одинакова, так что никакого парадокса нет.

Интуиция говорит нам, что натуральных чисел должно быть вдвое больше по сравнению с парами, в то время как взаимнооднозначное соответствие подсказывает: в этих группах одно и то же количество членов.

Брайан Банч, «Математические хитрости и парадоксы», 1982 год

Основываясь на этих рассуждениях, несколько лет спустя немецкий математик Рихард Дедекинд (1831-1916) предложил альтернативное определение актуальной бесконечности. Вместо того чтобы исходить из отрицания — множество бесконечно, когда оно не конечно, — он решил действовать от обратного. По Дедекинду, актуально бесконечное множество равномощно любому своему подмножеству (этим свойством обладают все актуально бесконечные группы и только они). Мысль Дедекинда была встречена благосклонно, и его определение до сих пор используется в области математической бесконечности.

ЦЕЛЫЕ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ЧИСЛА

Продолжим рассмотрение статьи Кантора 1874 года. Мы уже знаем, что множество всех натуральных чисел эквивалентно множеству квадратных чисел. Обратимся теперь к целым числам.

В их множество входят натуральные и отрицательные числа: -1, —2, —3, —4, ... Такое множество, как и квадратные числа, эквивалентно натуральным. Чтобы доказать это, достаточно продемонстрировать взаимно однозначное соответствие этих групп.

Предположим, что мы сопоставляем Ос 0, 1 с -1, 2 с -2, 3 с -3 и так далее.

Эта попытка провалится, так как в правой колонке не все числа будут целые, то есть некоторые целые числа останутся без пары. Но тот факт, что это решение неверное, не означает, что не существует правильного разбиения на пары. Действительно, если мы соотнесем натуральные числа 0,1,2,3,4,5,6,... с целыми 0,1, -1, 2, -2,3, -3,..., то получим взаимно однозначное соответствие между ними.

Кардинальное число целых чисел всегда будет *********... Следующая группа, которую мы должны рассмотреть, состоит из рациональных чисел. Слово «рациональный» происходит от латинского ratio, что означает и «разум», и «отношение», «деление». Таким образом, рациональные числа — это такие числа, которые можно записать в виде соотношения двух целых чисел (в математике их еще называют дробями). Рациональными являются числа

Целые числа также являются рациональными, например 3/1 = 3 и 0/1 = 0 (выражение 0/0 не представляет никакого рационального числа, как и 1/0, 2/0, 3/0...). Следовательно, мы можем доказать, что множество рациональных чисел включает в себя и множество целых чисел, которое, в свою очередь, включает множество натуральных чисел. И тем не менее между множеством рациональных чисел, с одной стороны, и множеством натуральных и целых чисел, с другой, есть фундаментальное различие. Чтобы объяснить его суть, нам понадобится числовая ось. Это прямая (ее можно представить себе как потенциально, так и как актуально бесконечную), на которой отмечены числа. Сначала выберем произвольную точку и отметим на ней число 0, а потом еще одну, на которой отметим 1.

Каждая из этих точек на самом деле является математической, то есть не обладает длиной, но в данном случае, чтобы сделать их видимыми, мы обозначим их маленькими окружностями.

Выбор места для точек 0 и 1 совершенно произволен, но, сделав его, мы обусловим расположение остальных чисел. Расстояние между 0 и 1 должно равняться расстоянию между 1 и 2, а также расстоянию между 2 и 3 и так далее. То же справедливо и для отрицательных чисел.

Георг Кантор в 1870 году по прибытии в Галльский университет.

Университет в Галле, приблизительно 1936 год.

Портрет Рихарда Дедекинда. Генрих Кенигсдорф, 1927 год.

Портрет Карла Теодора Вильгельма Вейерштрасса. Конрад Фер.

ОТЕЛЬ ГИЛЬБЕРТА

Немецкий математик Давид Гильберт (1862-1943) придумал задачу, в которой упрощенно излагается одно из следствий теории Кантора. Представим себе отель, в котором есть бесконечное количество комнат, обозначенных номерами 1, 2, 3, 4, 5 и так далее. В каждом номере есть постояльцы, которых мы для удобства так же обозначим числами 1, 2, 3, 4, 5 и так далее. Однажды в отель приезжает новый гость, назовем его Господином 0, но все номера заняты, а по правилам отеля двое людей не могут занимать один номер. Господин 0 уже собирается уходить, когда ему предлагают такой вариант: он поселится в номере 1, гость 1 — в номере 2, гость 2 — в номере 3 и так далее. Таким образом, Господин 0 сможет остановиться в отеле, и никто не останется без комнаты.

На языке математики эта история доказывает, что множество чисел 0, 1, 2, 3,4,... эквивалентно множеству чисел 1, 2, 3, 4, 5,... То есть любое бесконечное множество, к которому добавляется новый элемент, эквивалентно изначальному множеству.

Положение каждого рационального числа также строго определено. Если мы разделим отрезок между 0 и 1 на шесть равных частей, первой точке после 0 будет соответствовать число 1/6, второй — 2/6 (обратим внимание, что 2/6 = 1/3), третьей — 3/6 (то есть 1/2) и так далее.

Существуют ли рациональные числа между 1/3 и 1/2? Да, так как, например, есть их среднее арифметическое, 5/12. А между 1/3 и 5/12? Тоже: их средним арифметическим будет 3/8. Таким образом, как бы близко друг к другу ни располагались два рациональных числа, между ними всегда будут другие рациональные числа.

Из этого следует, что любой отрезок числовой оси, каким бы маленьким он ни был, всегда будет содержать бесконечное количество рациональных чисел. В этом и заключается различие между рациональными и целыми числами. Разумеется, ни натуральные, ни целые числа этим свойством не обладают. Следовательно, мы можем утверждать, что рациональных чисел на числовой оси больше, чем натуральных, но все-таки между ними есть взаимно однозначное соответствие.

Чтобы объяснить, как оно возникает (и открыл его Кантор), отметим на оси дроби, полученные с помощью двух натуральных чисел. Сначала запишем единственную дробь, составляющие которой в сумме равны 2:1/1. Затем дроби, составляющие которых в сумме равны 3: 1/2 и 2/1. После дроби, составляющие которых в сумме равны 4:1/3 и 3/1, опуская дробь 2/2, так как 2/2 = 1/1, а ее мы уже отметили. Продолжим с дробями, составляющие которых в сумме дают 5, затем 6 и так далее, всегда опуская дроби, равные уже записанным. У нас получится ось, которая в начале выглядит следующим образом.

Если мы продолжим эту линию на достаточное расстояние, в конце концов на ней появится какое-то положительное рациональное число (мы представляем эту ось как потенциально бесконечную). Чтобы включить и другие рациональные числа, поставим в начале 0 и будем чередовать положительные и отрицательные числа:

После этого, чтобы закончить соответствие, соотнесем 0 с первым числом оси, 1 — со вторым, 2-е третьим и так далее.

Таким образом, мы доказали, что между множествами натуральных и рациональных чисел есть взаимно однозначное соответствие.

Но Кантор в статье 1874 года, следуя совету Вейерштрасса, не упоминал об этих соответствиях (лишь намекнул), а также о кардинальных числах. Как тогда он мог утверждать, что некая группа чисел эквивалентна группе натуральных чисел? Для этого Кантор использовал понятие, которое стало одним из основных в его теориях: последовательность.

В последовательности всегда есть первое число, второе и так далее. Существуют последовательность нечетных натуральных чисел (1, 3, 5, 7, 9, 11, ...) и последовательность простых чисел (2, 3, 5, 7, 11,...). Последовательности могут иметь и конечное число членов, но мы рассмотрим только те из них, которые, как в предыдущих примерах, состоят из бесконечного количества не повторяющихся членов.

Заметим, что для установления взаимно однозначного соответствия между натуральными и целыми числами мы должны сначала представить их в виде последовательности: 0,1, -1, 2, -2, 3, -3,... То же самое необходимо для установления соответствия между натуральными и рациональными числами:

Следовательно, утверждение, что некое множество чисел эквивалентно множеству натуральных чисел, означает, что его члены могут быть представлены в виде последовательности.

Я бы с удовольствием вставил комментарий о фундаментальном различии между группами, но убрал его, следуя совету господина Вейерштрасса.

Георг Кантор в письме Рихарду Дедекинду 27 декабря 1873 года

Используя это следствие, Кантор не стал упоминать в своей статье ни об эквивалентности натуральным числам, ни об общем кардинальном числе, а просто рассмотрел возможность организации членов некоей группы в виде последовательности.

ДИАГОНАЛЬНЫЙ МЕТОД

Теперь вернемся к числовой оси и предположим, что мы уже отметили числа 0 и 1. Исходя из этих отметок, позиции других чисел тоже строго определены. Будет ли ось полностью заполнена, если мы отметим на ней рациональные числа? Другими словами, можно ли записать все числа как соотношение двух целых чисел? Ответ на оба вопроса: нет. После того как мы нанесем на ось все рациональные числа, на ней все равно останутся точки, которым не будет соответствовать никакое число. Открытие иррациональных чисел приписывается Пифагору (VI век до н.э.), хотя, возможно, это был кто-то из его учеников. Иррациональные числа не могут быть представлены в виде соотношения целого и натурального числа, например √2-1,4142.... .. и π = 3,14159... Дополняют ось вещественные числа.

Именно они — включая в себя рациональные и иррациональные числа — не оставляют на оси ни одной свободной точки.

Мы вернемся к вещественным числам в следующей главе, так как они занимают важное место в развитии научных теорий Кантора. А пока рассмотрим вопрос: эквивалентно ли множество вещественных чисел множеству натуральных чисел (как в случае с целыми и рациональными числами)? Ответ стал одним из главных открытий Кантора: нет, эти множества неэквивалентны, то есть между ними нельзя установить взаимно однозначное соответствие.

Для доказательства недостаточно привести один пример неудавшегося соответствия, требуется показать, что провалом закончится любая попытка установить взаимно однозначное соответствие между натуральными и вещественными числами. Невозможно сделать так, чтобы каждое натуральное число соответствовало вещественному.

Для наглядности рассмотрим конкретный случай, в котором попытка установить соответствие оборачивается неудачей. Этот пример действителен для любой другой попытки, поэтому можно утверждать, что установить соответствие невозможно никоим способом. Попробуем найти пару для каждого вещественного числа из группы натуральных чисел и увидим, что какое-то вещественное число обязательно останется без пары (ниже показаны натуральные числа только от 0 до 4, хотя на самом деле этот список продолжается бесконечно).

Принцип, по которому распределялись числа, неясен, но это и не важно, так как данный метод работает вне зависимости от того, какое правило принято за основу. Обратим внимание на цифры после запятой.

Теперь рассмотрим диагональ, которая стремится от левого верхнего угла к правому нижнему. Она настолько важна в этом доказательстве, что само доказательство получило название диагонального метода.

Число, которое мы ищем (то, которому не найдется пары), начинается с 0,... а цифры после запятой будут зависеть от чисел, отмеченных по диагонали. Чтобы получить первую цифру после запятой, возьмем первую цифру диагонали и прибавим 1 (если это цифра 9, то запишем только 0). В нашем случае это цифра 3, поэтому число начнется с 0,4... Чтобы получить следующую цифру, прибавим 1 ко второму числу диагонали (опять же если это 9, мы запишем 0). Для третьей цифры числа возьмем третье число диагонали и так далее. В нашем примере мы получим 0,41162...

Число, которое мы только что высчитали, не соотнесено ни с каким натуральным, мы пропустили его при раздаче пар. Как мы можем быть в этом уверены? Дело в том, что найденное число не может быть тем, которое соотносится с 0, потому что они различаются первой цифрой после запятой; не может быть тем, которое соотносится с 1, потому что у них разные вторые цифры после запятой; не может быть тем, которое соотносится с 2, потому что у них разные третьи цифры после запятой, и так далее до бесконечности.

Поскольку для одного числа не нашлось соответствия, наш пример взаимно однозначного соответствия между множествами натуральных и вещественных чисел является неправильным. Любая другая попытка закончится неудачей по этой же причине, следовательно, между рассматриваемыми множествами нет взаимно однозначного соответствия.

Если немного изменить этот ход рассуждений, можно доказать, что множество чисел, содержащихся в любом, даже самом маленьком отрезке числовой оси, не эквивалентно множеству натуральных чисел. Множество вещественных чисел (или чисел одного отрезка оси) нельзя представить в виде последовательности, как в 1874 году заявил Кантор. Надо заметить, что доказательство, приведенное Кантором, было не совсем таким. Диагональный метод был описан лишь в 1892 году в статье Über eine elementare Frage der Mannigfaltigkeitslehre («Об одном элементарном вопросе учения о многообразиях»).

АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ЧИСЛА

В статье 1874 года Кантор не говорил ни о целых, ни о рациональных числах. Он доказал, что вещественные числа не могут быть представлены как последовательность, и рассмотрел еще одно множество — множество алгебраических чисел.

Обратимся к древней и очень известной задаче о квадратуре круга, впервые сформулированной древнегреческими геометрами в V веке до н.э. Она состоит в том, чтобы при помощи линейки без делений и циркуля построить квадрат с той же площадью, как у заданной окружности.

Линейка в те времена была обычным прямоугольником для рисования отрезков, на ней не было никаких делений. Ограничительные условия этой задачи свойственны всей древнегреческой геометрии, и происходили они от элитарного представления о науке: измерениями занимались «низшие классы» — купцы и ремесленники, — а геометры и философы работали с идеальными фигурами и понятиями, не опускаясь до «второстепенного» и используя инструменты, годные для создания «чистых» фигур (прямых и окружностей) без их измерения.

В течение веков было сделано множество попыток получить квадратуру круга, но ни одна из них не увенчалась успехом. Никто не был в состоянии найти решение этой задачи; с другой стороны, не было доказано, что решение невозможно.

Если r — это радиус окружности, то ее площадь рассчитывается как πr2. Пусть вас не удивляет, что число π связано с этой задачей. Действительно, мы можем доказать, что задача вычислить квадратуру круга эквивалентна другой: взяв за единицу измерения любой отрезок, построить при помощи линейки без делений другой отрезок, длина которого равнялась бы π раз этой единице. Другими словами, построить отрезок длины π.

То, что эти задачи эквивалентны, означает: если допустимо построить отрезок длины π, то можно построить и квадратуру круга, и наоборот. Если же одно из этих построений неосуществимо, то неосуществимо и другое. Первый важный шаг в решении этой задачи был сделан в XVIII веке, когда доказали, что для того чтобы построить отрезок с помощью линейки и циркуля, его длина должна соответствовать алгебраическому числу. Точное определение алгебраического числа слишком сложное, достаточно сказать, что таким называется число, являющееся решением уравнения определенного типа (такого, в котором задействованы целые числа). К тому же не все алгебраические числа могут быть найдены с помощью циркуля и линейки, а только отвечающие определенным требованиям.

Числа, не являющиеся алгебраическими, получили название «трансцендентных». В начале XIX века этот термин считался сугубо теоретическим, поскольку хотя и было известно, что все рациональные числа являются алгебраическими (как и некоторые иррациональные, например √2), существование трансцендентных чисел еще не стало фактом. В частности, предстояло установить, является π алгебраическим или трансцендентным числом.

Первое трансцендентное число нашел французский математик Жозеф Лиувилль (1809-1882) в 1844 году. Сейчас его называют постоянной Лиувилля. Оно начинается с 0,11000100 0000000000000001000... (первая 1 стоит на первом месте после запятой, вторая на месте 1-2 = 2, третья на месте 1 · 2 · 3 = 6 и так далее). Лиувилль обнаружил также еще несколько трансцендентных чисел, похожих на это. В 1873 году другой математик, Шарль Эрмит (1822-1901), открыл, что трансцендентным является число е (основание натуральных логарифмов).

В статье 1874 года Кантор тоже внес большой вклад в эту область, косвенно доказав, что любой отрезок числовой оси содержит бесконечное количество трансцендентных чисел.

Каким образом? Усовершенствовав метод, позволяющий показать, что рациональные числа могут организоваться в последовательность, Кантор доказал, что и множество алгебраических чисел, содержащихся в любом отрезке числовой оси, может быть представлено в виде последовательности. Вещественные числа, расположенные на том же самом отрезке, напротив, последовательностью быть не могут. Это означает, что два этих множества не могут быть одинаковыми, так как одно обладает свойством, отсутствующим у другого. Следовательно, на произвольном отрезке числовой оси все числа не могут быть алгебраическими, но не могут не быть трансцендентными. Таким образом, на каждом отрезке числовой оси есть трансцендентные числа, а на всей прямой — бесконечное количество трансцендентных чисел. Доказательство было непрямым, поэтому отметим: из рассуждений Кантора следует, что существует бесконечное количество трансцендентных чисел, хотя ученый и не привел ни одного конкретного примера.

Если бы Луивилль и Эрмит не обнародовали свои открытия, едва совершив их, то в 1874 году не было бы известно ни одного трансцендентного числа, и Кантор доказал бы существование бесконечного количества чисел неизвестного рода. Нужно отметить, что в тот момент некоторые математики отнеслись к ним с большим скепсисом. Что же произошло с числом π? В 1882 году немецкий математик Карл Луис Фердинанд фон Линдеман (1852-1939) доказал, что число π тоже является трансцендентным, и положил таким образом конец поискам квадратуры круга: стало ясно, что эта задача не может быть решена.

ПОСЛЕДСТВИЯ

На этом мы закончим разговор о статье 1874 года. Но в чем же заключались ее революционные последствия, которые Вейерштрасс посоветовал скрыть?

Вернемся к диагональному методу: с его помощью было доказано, что попытка установить взаимно однозначное соответствие между множествами простых и вещественных чисел окончится неудачей, так как всегда останутся вещественные числа без пары. Теперь вспомним пример с парами танцоров из предыдущей главы. Если бы нам заранее сказали, что вне зависимости от того, как сформируются пары, все равно останутся женщины без партнера, мы сразу заключили бы, что женщин больше, чем мужчин. Если в любом случае остаются вещественные числа без пары, это означает, что их больше, чем натуральных, но не в том смысле, что одно множество входит в другое, а в смысле их мощности. Кардинальное число (мощность) вещественных чисел («количество членов» в нем) больше, чем у натуральных чисел.

Целые, натуральные и рациональные числа обладают одинаковой мощностью, а «уровень бесконечности» вещественных чисел выше, чем натуральных. Их бесконечное множество «больше» бесконечного множества натуральных. Таким образом, Георг Кантор не только осмелился сравнить два бесконечных континуума — это возмутило бы и Аристотеля, и Галилея,— но и пришел к выводу, что некоторые бесконечности больше других. Иными словами, его доказательство касательно трансцендентных чисел таково: бесконечность множества вещественных чисел больше бесконечности алгебраических чисел, следовательно, должно быть бесконечное множество вещественных чисел, которые не являются алгебраическими, то есть бесконечные трансцендентные числа. В 1874 году эти идеи были настолько революционными, что Вейерштрасс посоветовал Кантору скрыть их. Но почему же тогда Кантор все-таки занялся ими? Из чистого противоречия?

АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ЧИСЛА

Число называется алгебраическим, если является решением уравнения типа anxn + an-X1n-1 + ... + aX1 + a0 = 0, где an, an-1,... ,a0 — целые числа, а an ≠ 0. Например, 7/5 — алгебраическое число, так как является решением уравнения 5х - 7 = 0; еще один пример алгебраического числа — √3, которое является решением уравнения х2 - 3 = 0. Это уравнение называется уравнением второй степени, так как наибольшая степень х в нем — х2; уравнение, приведенное вначале, — уравнение первой степени (напомним, что x = x1). Мы можем доказать, что √3 является не только решением уравнения x2 - 3 = 0, но и уравнения третьей степени х3 - х2 - 3х + 3 = 0, и уравнения четвертой степени х4 - 9 = 0, и уравнения пятой степени, и шестой и так далее. Однако √3 не является решением уравнений степени меньше 2, которое при этом удовлетворяет всем вышеуказанным условиям. Самая меньшая возможная степень для √3 — вторая, поэтому говорят, что √3 — это алгебраическое число степени 2. Другими алгебраическими числами степени 2 являются, например, √2 и 

 (1 + √5)/2,

(Другой стороны, можно доказать, что 3√2 — число степени 3, что √2 + √3 — число степени 4, и что все рациональные числа, как в случае с 7/5, являются алгебраическими числами степени 1. Итак, чтобы удалось построить отрезок с помощью линейки без делений и циркуля, его длина должна соответствовать алгебраическому числу, причем степени 1, 2, 4, 8,16 или любой другой, делящейся на 2. Поскольку π — не алгебраическое число, отрезок этой длины такими инструментами построить нельзя. Также нельзя построить отрезок длиной √2, поскольку, хотя это и алгебраическое число, его степень равна 3.

Он задумался о них еще в ходе первых исследований в Галле, и результаты работы привели его к тому, чтобы отнестись к ним серьезно. В 1883 году Кантор писал:

«К мысли о том, чтобы рассматривать бесконечно большое не только в форме безгранично возрастающего [...], но также закрепить его математически с помощью чисел в определенной форме завершенно бесконечного, я пришел почти против собственной воли и в противоречии с ценными для меня традициями, логически вынужденный к этому ходом многолетних научных усилий и попыток. Поэтому я не думаю, что могут найтись доводы, на которые я не сумел бы ответить».

Какие же исследования подтолкнули его допустить возможность существования актуальной бесконечности? Ответ на этот вопрос будет дан в следующей главе.

ГЛАВА З Исчисление и бесконечность

Теория математической бесконечности постоянно бросает нам вызов, когда мы сталкиваемся с правильными, при этом полностью противоречащими здравому смыслу выводами.

В ее рамках доказывается, что целое не всегда больше любой составляющей его части, и приводятся примеры разных «уровней бесконечности». Эта теория тесно связана с областью математики, восходящей к классическому периоду Античности, — с исчислением.

Георг Кантор и Рихард Дедекинд познакомились случайно в 1872 году во время летних каникул. Несмотря на различия — Кантор был натурой страстной и импульсивной, а Дедекинд гораздо более спокойным и рассудительным,— они обнаружили много общего в своем видении математики. С этой встречи они почти десять лет вели очень интенсивную переписку, в ходе которой впервые обсудили идеи Кантора, впоследствии изложенные в его статьях. В письме от 5 января 1874 года, отправленном из Галле, Кантор спрашивал мнения Дедекинда по следующему вопросу: 

«Может ли некая поверхность (например, квадрат, включая углы) вступить в однозначное отношение с кривой (например, с отрезком прямой) таким образом, чтобы каждой точке плоскости соответствовала точка кривой, и наоборот?» 

Задача, сформулированная Кантором, была естественным продолжением идей, над которыми он работал в то время. В 1873 году он уже знал, что мощность множества вещественных чисел больше мощности натуральных чисел. Другими словами, он знал, что уровень бесконечности вещественных чисел больше, чем уровень натуральных, хотя в статье 1878 года не заявил об этом открыто.

В этой ситуации логично задаться вопросом: возможно ли множество с еще большей мощностью, чем мощность вещественных чисел? Именно об этом и думал Кантор, когда писал Дедекинду. Проследим, как вопрос о возможности множества с мощностью, большей, чем мощность вещественных чисел, приводит нас к вопросу в письме Кантора.

В предыдущей главе мы убедились, что каждой точке на числовой оси соответствует вещественное число, и наоборот: каждому вещественному числу соответствует точка на оси. Другими словами, между вещественными числами и точками на оси наблюдается взаимно однозначное соответствие (то есть два множества эквивалентны или равномощны). Когда мы говорим о мощности — это то же самое, что говорить о вещественных числах и точках на оси. Какое множество можно выдвинуть в качестве кандидата на большую мощность по сравнению со множеством точек на оси? Поскольку ось — одномерный объект, логично было бы предположить, что нам подошел бы объект с двумерной поверхностью.

Если мы думаем о множестве всех вещественных чисел, а им соответствует числовая ось, почему Кантор говорит об отрезке, то есть только о части прямой, ограниченной двумя точками? Дело в том, что можно доказать: все отрезки, вне зависимости от их длины, эквивалентны друг другу, у них одинаковая мощность и, в свою очередь, любой отрезок эквивалентен полной оси. Таким образом, при изучении мощности не имеет значения, о чем идет речь, — об отрезке или об оси.

Теперь вернемся к вопросу, сформулированному Кантором в письме от 5 января 1874 года: может ли одномерный объект (отрезок, взятый как бесконечная совокупность точек) иметь такую же мощность, что и двумерный объект (квадрат, также взятый как бесконечное множество точек), или, наоборот, мощность квадрата будет больше?

Решение задач, связанных с математической бесконечностью, является, пожалуй, одним из главных успехов нашей эпохи, которым мы можем гордиться.

Лорд Бертран Рассел, 1910 год.

В этом же письме Кантор утверждал, что, разумеется, кардинальное число точек квадрата должно превосходить кардинальное число точек отрезка. Дедекинд согласился, но Кантор также добавлял, что задача тем не менее «очень сложна».

И действительно, на пути к ее решению было много препятствий, и чтобы найти его, Кантору потребовалось три года. Он изложил его Дедекинду в письме от 20 июня 1877 года, и уже 22 июня Дедекинд отправил свое послание, в котором оспаривал аргументацию Кантора. Тот ответил двумя письмами от 25 и 29 июня. В последнем, очень характерном для Кантора, говорилось: 

«Прошу Вас извинить мое рвение, если я слишком часто злоупотребляю Вашей добротой и снисходительностью. То, что Вы сообщили, для меня настолько неожиданно и ново, что я не мог бы, так сказать, достичь некоего спокойствия духа, прежде чем получу, мой многоуважаемый друг, Ваше мнение по поводу верности [моего предположения]. Пока Вы не одобрите мои выводы, я могу лишь сказать je le vois, mais je ne le crois pas [«я это вижу, но этому не верю», франц.]. 

Мы можем предположить, что Дедекинд помог Кантору достичь «некоего спокойствия духа», потому что его ответ, отправленный из Брунсвика 2 июля, начинался так: 

«Я еще раз рассмотрел Ваше доказательство и не нашел в нем никаких пробелов; я убежден, что Ваша интереснейшая теорема верна и поздравляю Вас».

ОТВЕТ

Ответ, к удивлению самого Кантора, заключался в том, что между точками отрезка и точками квадрата существует взаимно однозначное соответствие. Другими словами, несмотря на то что у квадрата есть еще одно измерение, его кардинальное число (мощность) не больше, чем у отрезка.

Как это доказать? Отрезок — это часть прямой между двумя фиксированными точками. Следовательно, можно приравнять его к совокупности всех вещественных чисел, заключающихся между этими точками. Поскольку 0 и 1 отмечены в произвольных точках числовой оси, мы можем приравнять любой отрезок к множеству вещественных чисел, расположенных именно между 0 и 1. Так, на рисунке 1 изображена точка, соответствующая числу 0,75.

РИС.1

РИС. 2

Как представить точки квадрата в числовом виде? Как известно, координаты на земном шаре определяются по двум осям — ширине и долготе. Аналогично и у точек квадрата имеются две координаты — абсцисса и ордината (рисунок 2).

Как определить положение точки Р квадрата на осях абсциссы и ординаты? Для этого, как показано на рисунке 2, выберем две непараллельные стороны квадрата и, как в случае с отрезком, отметим на них 0 и 1. Нулю будет соответствовать их общая вершина.

Чтобы узнать координаты точки Р, спроецируем ее перпендикуляр на каждую из выбранных сторон (как точка на земном шаре проецируется на экватор и на Гринвичский меридиан). Одним из чисел будет абсцисса Ру вторым — его ордината.

ОТРЕЗКИ БЕЗ КОНЦОВ

Теперь докажем, что вещественные числа между 0 и 1, включая обе эти точки, эквивалентны множеству, которое получается, если мы уберем 1. Графически первая группа выглядит как отрезок, ограниченный с двух сторон, а вторая — как отрезок без одного конца (см. рисунок 1). Чтобы установить соответствие (см. рисунок 2), сопоставим 1 из первой группы с 1/2 второй, 1/2 первой группы — с 1/3 второй, 1/3 первой — с 1/4 второй и так далее. Остальные числа первой группы, то есть все, отличные от 1/2,1/3,1/4 (как 3/4, например), будут соотнесены с самими собой. Таким же образом мы можем доказать, что отрезок без одного конца соотносится с отрезком, не имеющим ограничений. Следовательно, все три отрезка — отрезок с двумя концами, отрезок без одного конца и отрезок без ограничений — эквивалентны друг другу.

РИС. 1

Изобразим отсутствие точки как пустую окружность.

РИС. 2

Таким образом, каждая точка квадрата определена двумя координатами. Сначала ставят абсциссу, а потом ординату: мы будем говорить о точках координат 0,2 и 0,7, подразумевая, что 0,2 — значение по абсциссе, а 0,7 — по ординате.

Задача заключается в том, чтобы установить взаимно однозначное соответствие между вещественными числами, находящимися между точками 0 и 1, и парами чисел между 0 и 1 так, чтобы каждому числу соответствовала единственная пара, а каждой паре — только одно число.

Предположим, есть число 0,213421342134... Какой паре координат оно соответствует? Возьмем цифры, стоящие в нечетных позициях после запятой (первую, третью, пятую и так далее). Это числа 232323... Затем рассмотрим четные позиции. Это числа 141414... Число 0,213421342134... соответствует, таким образом, паре координат 0,232323... и 0,141414...

Аналогично, если у нас есть точка с координатами 0,232323... и 0,141414..., чтобы получить соответствующую точку на отрезке, возьмем первое число абсциссы, первое число ординаты, потом второе число абсциссы, второе число ординаты и так далее. Мы получим число 0,21342134... (см. рисунок 3).

ОТРЕЗКИ РАЗНОЙ ДЛИНЫ

Теперь докажем, что два отрезка разной длины эквивалентны. Сначала проведем две прямые через концы отрезков и обозначим точку их пересечения буквой О. Затем проведем еще прямые через точку О. На рисунке показано, как с их помощью соотнести с каждой точкой Р на одном отрезке точку F на другом.

Еще один пример. Если у нас есть точка с координатами 0,2 и 0,7, запишем эти числа как 0,20000... и 0,70000... (количество нулей не имеет значения). Этой паре будет соответствовать число 0,270000..., то есть 0,27. На рисунке 4 показаны и другие примеры этого соответствия. То есть мы видим, что каждому числу в промежутке от 0 до 1 соответствует конкретная пара координат и каждой паре координат соответствует конкретное число. Другими словами, мы установили взаимно однозначное соответствие между любым отрезком и любым квадратом: следовательно, мы можем утверждать, что у этих множеств одинаковая мощность. Выше мы сказали, что любой отрезок равномощен полной оси. Аналогично, мы можем доказать, что мощность квадрата такая же, как мощность всей плоскости.

Таким образом, мы приходим к выводу, что любая прямая, любой отрезок, любой квадрат и плоскость имеют одинаковую мощность. Это верно и для трехмерных объектов, так как можно доказать, что мощность отрезка равна мощности куба, которая, в свою очередь, равна мощности всего трехмерного пространства.

РИС. 3: Взаимно однозначное соответствие между отдельными числами и парами чисел.

РИС. 4: Некоторые примеры соответствия между числом, находящимся между О и 1, и парой чисел.

Вернемся к основному вопросу задачи: существует ли множество с большей мощностью, чем мощность вещественных чисел? Мы все еще не нашли решение: ни квадрат, ни плоскость, ни трехмерное пространство (все это бесконечные множества точек) не годятся в качестве ответа. Однако нет у нас и аргументов, доказывающих, что такое множество существовать не может.

ОТРЕЗОК, ОКРУЖНОСТЬ, ПРЯМАЯ

На рисунке 1 показано, как можно доказать равномощность окружности с выколотой точкой (ее отсутствие обозначено пустым кружком) отрезку без концов, искривляя его. Оба эти множества точек — в сущности одно и то же, их единственное различие заключается в графическом изображении на плоскости. В одном случае они располагаются на прямой, в другом — по окружности. На рисунке 2 показано, как установить взаимно однозначное соответствие между окружностью без точки и прямой. Каждой точке Р окружности соответствует точка F на прямой (Р и Р' должны всегда находиться на одной линии с недостающей окружности точкой). Исходя из транзитивного свойства мы заключаем, что отрезок без концов эквивалентен замкнутой оси.

РИС.1

РИС. 2

В 1877 году сам Кантор не знал, существует ли множество с мощностью большей, чем у вещественных чисел, и смог дать ответ на этот вопрос только в 1883 году.

КОНТИНУУМ-ГИПОТЕЗА

Множество вещественных чисел обладает большей мощностью, чем множество натуральных чисел. Возникает вопрос: есть ли множество с еще большей мощностью? Но логичным образом рождается еще один вопрос: существует ли множество со средней мощностью? То есть множество с мощностью большей, чем у натуральных чисел, но меньшей, чем у вещественных.

Все множества, эквивалентные множеству натуральных чисел, Кантор называл счетными: например, множества целых и рациональных чисел счетные, а множество вещественных — нет. Поэтому вопрос можно переформулировать и так: существует ли бесконечное несчетное множество с мощностью, меньшей, чем у вещественных чисел?

Кантор несколько лет безуспешно пытался найти пример такого множества. Множества натуральных, целых, рациональных и алгебраических чисел являются счетными. Иррациональные и трансцендентные числа — несчетны, но эквивалентны вещественным числам, и, следовательно, их мощность не меньше.

В конце концов, после того как все попытки Кантора найти среднее множество провалились, в 1877 году он пришел к выводу, что его не существует, и сформулировал так называемую «континуум-гипотезу»: не существует никакого бесконечного множества, мощность которого была бы промежуточной между мощностью натуральных и вещественных чисел (см. рисунок).

Гипотеза — это утверждение, которое пока не было ни доказано, ни опровергнуто. В данном случае для подтверждения гипотезы нужно было бы доказать, что не существует множества с промежуточной мощностью между множеством натуральных и вещественных чисел, а для опровержения — найти такое множество.

В 1877 году Кантор был убежден в правильности своей гипотезы, хотя и не сумел доказать ее. Этот вопрос занимал его долгие годы, и в 1833 году его желание получить подтверждение своим идеям стало для него делом огромной важности. Ответ был довольно неожиданным.

ОТРЕЗОК И ПРОСТРАНСТВО

Как мы уже говорили, любой отрезок, любой квадрат и плоскость имеют одинаковую мощность. То же самое относится и к кубу, и ко всему трехмерному пространству.

Один из выводов из этого положения: если мы обратимся к отрезку, который начертили раньше, фрагмент между точками 0 и 0,0000000000001 (минимальной длины, его невозможно увидеть невооруженным глазом) имеет точно такую же степень бесконечности, как и все трехмерное пространство, хотя оно занимает актуально бесконечный объем, гораздо больший, чем объем Вселенной (если считать, что у Вселенной конечный объем).

Это заключение, хотя и математически верное, настолько противоречит здравому смыслу, что с ним было очень сложно согласиться, тем более в 1870 году, когда большинство математиков сомневались в самом факте существования актуальной бесконечности.

Континуум- гипотеза утверждает, что «промежуточного» множества не существует, но в 1877 году еще было неизвестно наверняка, так ли это.

Кантор изложил эти выводы в статье 1877 года Ein Beitrag zur Mannigfaltigkeitslehre («К учению о многообразиях»). Для Кантора «многообразие» было синонимом «множества».

В июле он отправил текст в авторитетный берлинский «Журнал Крелле», который уже опубликовал его работу в 1874 году.

Но на сей раз ситуация была иной.

Тогда Кантор доказывал, что вещественные числа нельзя записать в виде последовательности, и заключал, что на любом отрезке числовой оси есть бесконечное количество трансцендентных чисел (бесконечность в контексте той статьи можно было интерпретировать как мощность). По совету Вейерштрасса Кантор сделал едва заметный намек на возможность сравнения двух бесконечных множеств и не стал развивать эту тему. К тому же он даже не поднял вопрос самого понятия мощности.

Сравнение бесконечных множеств стало лейтмотивом статьи 1877 года, причем трактовалось оно не просто как способ доказательства числового результата. В ней Кантор начал с определения того, что два множества эквивалентны, если между ними можно установить взаимно однозначное соответствие. Он также проиллюстрировал понятие мощности и вернулся к теореме 1874 года о трансцендентных числах, но в контексте сравнения бесконечных множеств. Затем ученый доказывал, что отрезок без одного конца эквивалентен отрезку с двумя концами и что отрезок эквивалентен квадрату. В конце Кантор впервые открыто изложил континуум-гипотезу.

Будущие поколения будут считать эту теорию [теорию множеств] болезнью, от которой мы излечились.

Французский математик Анри Пуанкаре, 1908 год

Содержание этой статьи было очень спорным для того времени, так что Кантор столкнулся с серьезной критикой. Он писал Дедекинду 10 ноября 1877 года: 

«Публикация моей работы, с которой вы уже ознакомились, в журнале Борхардта [Карл Вильгельм Борхардт был издателем «Журнала Крелле» с 1856 по 1880 год] удивительным и необъяснимым образом все откладывается, хотя я отправил ее 11 июля, а вскоре получил заверение, что она будет напечатана в кратчайшие сроки.

Сегодня через моего старого друга Лампа, корректора журнала, я узнал, что Б. [Борхардт] опять отложил выход моей статьи, изменив таким образом намеченный порядок. Судьба публикации еще не решена. Он написал мне, что пытается ускорить ее одним ловким маневром. Я хочу думать, что ему это удастся, но надо также быть готовым и к тому, что он потерпит неудачу. В этом случае я намереваюсь полностью изъять мою работу из рук господина Б. [Борхардта] и напечатать ее в другом месте». 

Видимо, «ловкий маневр» Лампа удался, поскольку «Журнал Крелле» опубликовал статью Кантора в 84-м выпуске 1878 года, на страницах 242-258. Однако Кантор был настолько обижен неуважительным поведением Борхардта, что больше не отправил в этот журнал ни одной статьи.

ПРОТИВНИК

Хотя Кантор в своем письме жаловался на Борхардта, главным противником публикации его статьи был Леопольд Кронекер, и Кантор прекрасно это знал.

Немецкий математик Кронекер, родившийся в 1823 году, был очень уважаем и обладал большим влиянием. Он занимался алгеброй, исчислением, арифметикой — особенно интересовали его точки их соприкосновения, — а также метеорологией, астрономией, химией и философией. В частности, он интересовался учениями Декарта, Лейбница, Канта, Спинозы и Гегеля.

В 1861 году по рекомендации Куммера и благодаря своим многочисленным наградам он был избран членом Берлинской академии наук, а в 1868 году — Парижской. Но несмотря на разносторонние математические интересы, научные методы Кронекера были весьма ограничены ввиду его философской позиции, которую можно описать знаменитой максимой: 

Die Ganze Zahl schuf der liebe Gott, alles Übrige ist Menschenwerk («Бог создал натуральные числа, все остальное — дело рук человека»).

ВЕЩЕСТВЕННЫЕ ЧИСЛА БЕЗ НАЗВАНИЯ

Прокомментируем одно любопытное следствие из теории Кантора. Для этого условимся, что термин «вычисление» и любой эвфемизм называют число, если определяют его точно, не оставляя места недопониманию. Например, «количество дней недели» — обозначение числа 7, как и «сумма чисел 6 и 1». «Соотношение между длиной окружности и ее диаметром» — обозначение числа π. «Число, которое начинается с 0,1100010000000 00000000001000..., где первая единица стоит на первом месте после запятой, вторая единица — на месте 1 ∙ 2 = 2, третья единица — на месте 1 ∙ 2 ∙ 3 = 6 и так далее», — название трансцендентного числа Лиувилля. Таким образом, мы можем доказать, что множество всех возможных чисел эквивалентно множеству натуральных чисел, тогда как множество вещественных чисел ему не эквивалентно. Другими словами, вещественных чисел больше, чем названий для них. Отсюда следует, что существуют неуловимые вещественные числа, которые нельзя никак назвать и определить. Существует бесконечное количество таких вещественных чисел, хотя и, разумеется, невозможно привести ни одного их примера, так как любое число, которое мы сможем продемонстрировать, обязательно должно обладать названием (которое мы используем, чтобы показать его). Это случай доказательства простого существования, рассуждения, в котором доказывается наличие объектов (однако пример их невозможно найти).

По мнению Кронекера, основу математики составляют целые числа, которые «даны нам природой» и существуют независимо от человеческого разума. Все остальные математические объекты должны быть точно определены исходя из натуральных чисел, миновав конечное количество этапов. Основополагающее значение здесь имеет понятие конечности; Кронекер был твердо убежден, что актуальная бесконечность — это абсурд, и принимал (и то с оговорками) только идею потенциальной бесконечности.

Трансцендентное число Лиувилля для Кронекера не существовало. Он мог бы признать существование потенциально бесконечной последовательности, которая начинается с 0,1, продолжается с 0,11, потом с 0,110001 и так далее, но сказал бы, что выражение 0,1100010000000000000000001000..., в котором, как предполагается, содержится бесконечное количество цифр после запятой, не обозначает никакого существующего математического объекта.

Когда в 1882 году Линдеманн доказал, что π — трансцендентное число (см. предыдущую главу), Кронекер выразил восхищение элегантностью его рассуждений, но добавил, что на самом деле они ничего не доказывают, поскольку трансцендентных чисел не существует. Рациональное число 0,333..., по Кронекеру, существует, но только потому, что его можно определить через выражение, в котором используются натуральные числа: 1 /3; причем правильной он считал именно эту запись, а не 0,333..., в которой должно быть бесконечное количество цифр после запятой. Кронекер одним из первых подверг сомнению правильность доказательств простого существования математических объектов, не показывавших, как найти хотя бы один конкретный пример. В предыдущей главе мы убедились, что Кантор доказывал таким образом существование бесконечного множества трансцендентных чисел. Итак, теперь нам понятно, что Кронекер полностью отвергал исследования Кантора в области бесконечности не потому, что считал их ошибочными. Более того, он расценивал их как абсолютно лишенные смысла. По его мнению, говоря о бесконечных множествах или множествах разной степени бесконечности, Кантор рассуждал о несуществующих объектах. Поэтому Кронекер и использовал все возможные рычаги давления, чтобы помешать публикации работ Кантора. В частности, он пытался остановить публикацию статьи в «Журнале Крелле» в 1877 году.

Кронекер и Куммер имеют очень однобокий, я бы даже сказал, почти примитивный подход к математике.

Георг Кантор в письме Гёсте Миттаг-Леффлеру, август 1884 года

Позднее Кронекер публично называл Кантора «отступником», «развратителем молодежи» и «шарлатаном». На нем частично лежит ответственность за то, что Кантору так и не довелось поработать в Берлинском или Геттингенском университетах, о чем он всегда мечтал.

Кантор был очень чувствительной натурой, подверженной депрессиям, поэтому тяжело переживал подобные нападки и разочарования. Со временем они сказались на его душевном здоровье.

ИСТОКИ

Почему Кантор решил заняться изучением бесконечности? Какие научные исследования логически подтолкнули его к рассмотрению актуально бесконечных множеств? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны обратиться к истории вычисления.

Обычно говорят, что вычисление — это область математики, которая занимается бесконечно большими и бесконечно малыми математическими объектами, и хотя она действительно с ними связана, надо признать, что данное определение несколько неточное. На самом деле неточность неизбежна, когда мы хотим охарактеризовать то, что в действительности является одной из самых широких и сложных областей математики. А одним из способов приблизиться к лучшему описанию было бы изложение одной из задач, которую она решает, и используемых ею методов.

Хотя сегодня вычисление применяется в самых разных областях науки — в биологии, геологии, экономике,— изначально оно было тесно связано с физикой и геометрией. В частности, оно использовалось для нахождения площади фигур, ограниченных кривой. Мы рассмотрим именно этот случай.

Как можно вычислить площадь окружности? Возьмем окружность с радиусом, в полтора раза превосходящим диагональ квадрата со стороной 1 см, который мы примем за единицу измерения площади (см. рисунок 5).

Вопрос будет звучать так: сколько раз эта единица измерения впишется в окружность? Прежде всего, как показано на рисунке 6, можно легко установить, что окружность содержит девять квадратов со стороной 1 см, хотя и видно, что они не заполняют ее целиком. Мы должны заполнить оставшиеся белые области, а поскольку квадраты целиком туда не вписываются, то можем использовать прямоугольники, равные половине квадрата.

РИС. 5

Но и после того как мы разместим их, останутся еще пустые области, которые мы снова заполним прямоугольниками меньшего размера. Чтобы полностью заполнить окружность, нам потребуется бесконечное количество прямоугольников, большая часть которых будет микроскопических размеров (см. рисунок 7). Таким образом, задача о площади окружности тут же привела нас к бесконечно большим величинам (количество прямоугольников) и бесконечно малым. Однако, если мы будем располагать прямоугольники как придется, то не узнаем, сколько квадратов вписывается в окружность. Чтобы заполнить ее, нужен систематический метод, который позволит нам контролировать, какая часть окружности заполняется на каждом этапе. Такой метод был разработан древнегреческим геометром Евдоксом Книдским (408- 355 годы до н. э.). В VI веке до н. э. Евдокс представил правильные многоугольники с возрастающим количеством сторон, углы которых находятся на окружности (в правильном многоугольнике все стороны равны и образуют равные углы). Каждый многоугольник занимает часть окружности, и по мере того как увеличивается количество сторон, незаполненная часть уменьшается (см. рисунок 8).

Георг Кантор, около 1880 года.

Первая страница статьи «Об одном свойстве совокупности всех действительных алгебраических чисел», опубликованной Кантором в 1874 году. В ней уже содержались некоторые из основных идей будущей теории бесконечности.

Карл Вильгельм Борхардт, издатель <Журнала Крелле· с 1856 по 1880 год.

Немецкий математик Леопольд Кронекер. Он был убежден в том, что вся теорема существования должна основываться на реальном построении и развиваться в конечное число этапов, а потому отверг теорию множеств, предложенную Кантором, и положил начало обширному спору.

РИС. 6

Теория [бесконечных множеств] — это область, в которой нет ничего очевидного, ее истинные положения часто звучат парадоксально, а кажущиеся истинными на самом деле являются ложными.

Немецкий математик Феликс Хаусдорф, 1914 год

РИС. 7

Основываясь на этой идее и исходя из свойств правильных многоугольников, уже известных в то время, Евдокс доказал, что площадь любой окружности пропорциональна площади квадрата, построенного на ее радиусе. Это означает, что если радиус окружности равен r, то его площадь высчитывается при умножении r2 на число, одинаковое для всех окружностей. В XVIII веке великий швейцарский математик Леонард Эйлер (1707-1783) обозначил это число греческой буквой π, и сегодня мы говорим, что площадь окружности равна π ∙ r2.

НЬЮТОН И ЛЕЙБНИЦ

Через 100 лет после Евдокса Архимед использовал похожий подход для того, чтобы рассчитать объем сферы, а также площадь и центр тяжести различных фигур, ограниченных кривыми. Ему также удалось получить наиболее точное значение числа π в истории Античности.

Тем не менее методы древнегреческих ученых были недостаточно обобщенными: для каждого вычисления требовалось отдельное построение, которое работало только для конкретного случая. Так, например, способ Евдокса вычислить площадь окружности не мог быть применен к эллипсу, все рассуждения грека относились только к окружности и ни к какой другой фигуре.

Правильный многоугольник с 4 сторонами

Правильный многоугольник с 7 сторонами

Правильный многоугольник с 11 сторонами

РИС. 8

С XVI века европейские математики принялись искать общий способ решения вопроса о площади фигур, ограниченных кривыми. Самых выдающихся результатов добились четверо математиков: Иоганн Кеплер (1571-1630), Бонавентура Кавальєри (1598-1647), Рене Декарт (1596-1650) и Пьер де Ферма (1601-1665). В конце XVII века Исаак Ньютон (1643-1727) и Готфрид Лейбниц (1646-1716), опираясь на достижения своих предшественников, независимо друг от друга нашли наконец общий метод расчета площади любой плоской фигуры. Это один из основных инструментов исчисления, и называется он интегральным.

РИХАРД ДЕДЕКИНД

Юлиус Вильгельм Рихард Дедекинд родился 6 октября 1831 года в Брауншвейге, Германия. С детства он проявлял огромный интерес к наукам и постепенно сконцентрировался именно на математике. В 1848 году поступил в Карловский коллегиум, где преподавание соответствовало университетскому уровню, поэтому Дедекинд получил солидное образование в области алгебры, аналитической геометрии и исчисления. Он дополнил его в Геттингенском университете, куда поступил в 1850 году. Два года спустя он получил там степень доктора под руководством самого Карла Фридриха Гаусса, одного из величайших математиков в истории.

Достойный наследник

В 1855 году Гаусс умер, и Дедекинду предложили занять его кафедру. В том же году он начал тесно сотрудничать с Бернхардом Риманом, еще одним учеником Гаусса. Через несколько лет Дедекинд решил вернуться в Брауншвейг и в 1862 году стал преподавать математику в том же знаменитом Карловском коллегиуме вплоть до 1894 года. Однако он не оставил занятия математикой и внес важный вклад в развитие науки, особенно в области алгебры и исчисления. Дедекинд всю жизнь был холостяком и, вернувшись в Брауншвейг, поселился со своей незамужней сестрой Юлией. Рихард Дедекинд умер в Брауншвейге 12 февраля 1916 года.

Суть его в том, что любая фигура, даже если она полностью ограничена кривыми, может быть разделена на два фрагмента или более (их количество всегда конечное), необязательно равные между собой, так, что каждый из них ограничивается отрезком (см. рисунок 9).

Задача вычислить площадь фигуры сводится, таким образом, к вычислению площадей каждого из этих фрагментов. Представим, что отрезок, частично ограничивающий фигуру, который мы для удобства назовем основой, является частью числовой оси, ограниченной числами а и b. Предположим, что мы знаем математическую формулу, которая позволяет нам вычислить длину отрезка, соединяющего точку X с кривой, если на основе задана точках. Назовем эту длину у (см. рисунок 10).

Метод заключается в том, чтобы представить фигуру как образованную бесконечными перпендикулярными отрезками, соединяющими основу с кривой (на каждое число х приходится один отрезок). Таким образом, площадь фигуры равна сумме площадей этих отрезков. И все же эта мысль отсылает нас к парадоксу Аристотеля.

Как математическая точка обладает длиной, равной нулю, так и математический отрезок (у которого есть длина, но нет ширины и глубины) обладает площадью, которая тоже равна нулю. Следовательно, если мы представим площадь фигуры как сумму площадей отрезков, она будет равна 0 + 0 + 0 +... = 0.

Нам не удастся заменить отрезки прямоугольниками (площадь которых больше нуля), потому что в этом случае получится ситуация, похожая на нашу попытку заполнить окружность прямоугольниками: всегда будет оставаться незаполненная прямоугольниками часть (рисунок И).

РИС. 9

Мы можем вычислить площадь каждой из двух правых фигур, частично ограниченных отрезком.

Чтобы выйти из этого тупика, Ньютон и Лейбниц ввели понятия бесконечно малых и бесконечно больших, оказывавшие огромное влияние на исчисление до второй половины XIX века. Но они настолько неопределенны, что их очень сложно, если не невозможно, понять. Представим себе каждый перпендикулярный отрезок, проведенный к основанию, не как математический, а как прямоугольник с бесконечно малым основанием dx (см. рисунок 12). Это обозначение использовал Лейбниц, и оно до сих пор применяется в исчислении. Получается, что фигура — это не сумма отрезков, а сумма прямоугольников с бесконечно малым основанием. Замена отрезков на прямоугольники имеет двойную пользу. С одной стороны, поскольку основание каждого прямоугольника — это бесконечно малый отрезок (а не точка), то его площадь больше нуля, а значит, мы избегаем парадокса. С другой — поскольку основание прямоугольника — это бесконечно малая величина, ими можно заполнить всю фигуру так, чтобы не осталось пустых областей. Пусть основание каждого прямоугольника — dx, высота — у, а площадь — ydx. Чтобы вычислить площадь фигуры, теоретически мы должны были бы сложить все ydx для X между а и Ь. Лейбниц записывал это так:

b

∫ydx.

a

Значок слева — деформированная буква S (первая буква латинского слова «сумма»). Этот символ называется интегралом. Он используется при нахождении площади фигуры, ограниченной кривой и отрезком (помимо прочих многочисленных применений в исчислении). Как метод Евдокса позволил вывести формулу вычисления площади окружности, так и этот метод, по которому фигуры представляются как совокупность прямоугольников с бесконечно малым основанием, позволяет найти, например, формулу площади эллипса или любой другой фигуры, ограниченной кривыми.

ЛОГИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЯ

Тем не менее изложенные выше рассуждения вызывают некоторые сомнения. Что значит: некий отрезок, меньше любого другого, который мы можем себе представить? Разумеется, это значит, что меньшего отрезка просто не существует.

Но если мы разделим его надвое, длина полученного отрезка будет меньше.

Выходит, что понятие бесконечно малых и бесконечно больших противоречит само себе, и необходимо отметить, что и Ньютон, и Лейбниц прекрасно это осознавали. Так, в работе 1680 года «Новый метод максимумов и минимумов, а также касательных, для которого не служат препятствием ни дробные, ни иррациональные величины, и особый для этого род исчисления» Лейбниц приводит формулы, основанные на бесконечно больших и бесконечно малых величинах, но при этом не упоминает сами понятия. Великие швейцарские математики братья Иоганн и Якоб Бернулли (1667-1748 и 1654-1705) назвали сочинение Лейбница «скорее загадкой, чем объяснением». Ньютон же впоследствии оставил идею бесконечно малых, заменив их не менее запутанным понятием «флюксий».

РИС. 10

РИС. 11

Как же тогда развивался математический анализ, если в самой его основе было столько лакун? Если отставить недоверие и принять существование бесконечно малых, а также считать правильными рассуждения, основанные на этом понятии, итоговые формулы были абсолютно верными. Интегралы позволяли — и позволяют — подсчитать площади и объемы, которые не могут быть получены при помощи методов древнегреческой геометрии (площадь поверхности седла или объем овальных тел). В XVIII веке, благодаря в том числе братьям Бернулли и Эйлеру, методы и применение дифференциального исчисления были усовершенствованы. Они стали незаменимыми для математической физики — она вообще не могла бы существовать без них.

И все же как раз ввиду этой незаменимости с течением десятилетий необходимость дать ему прочные логические обоснования, ясные и неоспоримые понятия, становилась все более насущной.

В XIX веке эту задачу пытались решить многие математики, среди которых были Карл Вейерштрасс (1815-1897), Рихард Дедекинд и Георг Кантор.

РИС. 12

ВЕЩЕСТВЕННЫЕ ЧИСЛА

Важнейшим вкладом Вейерштрасса в логическое обоснование исчисления было введение понятия предела, которое окончательно вытеснило бесконечно малые величины (хотя символ dx употребляется до сих пор). На практике предел заменяет идею бесконечно малого отрезка идеей отрезка, бесконечно малого только в потенции. То есть вместо того чтобы представлять прямоугольники с бесконечно малым основанием, мы представляем обычные прямоугольники, которые становятся все уже, пока не достигнут нужного размера. Опираясь на эту идею величин в динамике, то есть таких, которые становятся все меньше (бесконечно маленькими, но только потенциально), можно получить те же самые формулы, что и на основе бесконечно малых, но на более прочной логической основе.

Однако Вейерштрасс не говорил ни об отрезках, ни о прямоугольниках. Все свои идеи он выражал в числах и при помощи формул. Отрезок можно определить как часть числовой оси, ограниченной числами а и Ь. По Вейерштрассу же, отрезок является множеством (потенциально бесконечным) вещественных чисел между а и Ь геометрическое понятие отрезка не фигурировало даже в его рассуждениях. Понятие предела, например, которое мы применяем к отрезкам и прямоугольникам, Вейерштрасс выражал только в символах числовых операций.

Это объясняется тем, что в XIX веке исчисление все больше отдалялось от своей геометрической основы и в итоге окончательно от нее отошло. Это был длинный и трудный процесс, поскольку до этого классическая древнегреческая геометрия была неоспоримой основой любых математических рассуждений. В историю математики он вошел как «арифметизация исчисления» и заключался в том, что рассуждения геометрического типа (в них использовались статические объекты) заменялись на те, которые опирались исключительно на формулы и числа, в частности на вещественные числа (они позволяли рассуждать «в динамике», что было необходимо, например, в случае с понятием предела). Чтобы подвести под исчисление прочную логическую базу, необходимо было дать четкое определение вещественным числам, которые, в свою очередь, не имели никакого геометрического обоснования.

Что такое вещественные числа? Главное свойство вещественных чисел, которое их определяет и характеризует, заключается в том, что они заполняют всю числовую ось, то есть каждая точка на этой оси соответствует вещественному числу, а каждое вещественное число — точке на оси. Однако в конце XIX века это определение не было удовлетворительным, поскольку оно не должно было опираться на геометрические понятия. Но как можно донести мысль, что они заполняют всю числовую ось, не говоря ни о прямой, ни о точке? Этот вопрос был назван «проблемой континуума» (в то время континуумом называли числовую ось), и во второй половине XIX века он стал центральным вопросом исчисления.

В начале 1870-х годов в Галле Кантор, бывший учеником Вейерштрасса и, следовательно, тоже увлеченный проблемой логического обоснования исчисления, занялся поиском четкого определения вещественных чисел. Свои выводы он изложил в статье Ober die Ausdehnung eines Satzes aus der Theorie der trigonometrischen Reihen («Обобщение одной теоремы из теории тригонометрических рядов»), опубликованной в 1872 году в журнале Mathematische Annalen. До него Дедекинд тоже занимался тем же самым вопросом, что привело ученых к спору о первенстве.

Определение Кантора основано на понятии фундаментальной последовательности. Она состоит из вещественных чисел, и в ней по мере продвижения разница между любыми двумя членами, следующими друг за другом или нет, становится все меньше.

Возьмем, например, последовательность, образованную числами 3,1; 3,14; 3,141; 3,1415; 3,14159; 3,141592; 3,1415926; 3,14159265; 3,141592653; 3,1415926535,... (в каждом последующем числе добавляется еще один знак числа π после запятой). С пятого числа все они начинаются с 3,14159... Это значит, что с пятого элемента разница между двумя членами последовательности (не важно, идут они один за другим или нет) начинается с пяти нулей после запятой, то есть она меньше 0,00001 (где только четыре нуля после запятой). Аналогично, начиная с шестого числа, разница между двумя членами последовательности меньше 0,000001; начиная с седьмого — меньше 0,0000001 и так далее.

Таким образом, 3,1; 3,14; 3,141; 3,1415; 3,14159; 3,141592; 3,1415926; 3,14159265; 3,141592653; 3,1415926535... - фундаментальная последовательность.

По мнению Кантора, особенность, определяющая вещественные числа, заключается в том, что каждой фундаментальной последовательности соответствует вещественное число, и наоборот, каждому вещественному числу соответствует фундаментальная последовательность. Другими словами, каждое вещественное число определяется фундаментальной последовательностью. В приведенном выше примере последовательность определяет, разумеется, число π.

Не следует путать все вышесказанное со взаимно однозначным соответствием между фундаментальными соответствиями и вещественными числами, потому что, хотя каждой последовательности соответствует только одно вещественное число, на самом деле разные последовательности могут соответствовать одному и тому же числу. Например, последовательность 3,1; 3,141; 3,14159; 3,1415926; 3,141592653; ..., которая получается, если прибавлять каждый раз по два знака числа π, — это другая последовательность по сравнению с предыдущей, но она тоже соответствует числу π.

Откуда же тогда нам известно, что существует число 0,110001000000000000000001000..., то есть число Лиувилля? Как мы можем убедиться, что это действительно вещественное число? (Кронекер, напомним, так не считал.) По Кантору, достаточно показать, что ему соответствует фундаментальная последовательность. В данном случае это 0,1; 0,11; 0,110001;... Существование этой фундаментальной последовательности гарантирует существование числа.

Теперь рассмотрим, как определение Кантора выражает мысль о том, что каждой точке числовой оси соответствует вещественное число.

Числа 0 и 1 наносятся на прямую произвольно, но после этого позиции вещественных чисел строго определены. Предположим, у нас есть точка Р, для которой мы не подобрали никакого соответствующего рационального числа (см. рисунок 13). Как мы можем доказать, что этой точке соответствует число (разумеется, рациональное)?

Возьмем последовательность точек, которые соответствуют рациональным точкам и постепенно все больше приближаются к Р. Они образуют фундаментальную последовательность, которой будет соответствовать вещественное число, и оно же будет соответствовать точке Р. На рисунке 13 представлен пример, где точка Р соответствует числу π.

РИС. 13

Однако, по мнению Кантора (и тут мы подходим к идее бесконечности), еще одним фундаментальным свойством континуума является тот факт, что он несчетен (множество счетно, если эквивалентно натуральным числам). В серии из шести статей, опубликованных с 1879 по 1882 год в Mathematische Annalen, среди прочих вопросов о бесконечных множествах он рассмотрел альтернативные определения континуума, в которых несчетность являлась одной из его основных характеристик.

Тот факт, что точки отрезка образуют несчетное множество, позволяет решить парадокс Аристотеля. Если отрезок состоит из точек, то, поскольку у каждой точки нулевая длина, общая длина отрезка должна составить 0 + 0 + 0 + 0 + ... = 0. Сколько нулей мы складываем? Ответ: бесконечное количество нулей; но какова мощность этой бесконечности?

Когда мы пишем 0 + 0 + 0 + 0 +..., мощность складываемых нулей равна ******** ..., то есть она такая же, как у натуральных чисел. Мы складываем счетное количество нулей! Сумма счетного количества нулей действительно равна нулю, поэтому континуум не может быть счетным.

Но у несчетных сумм свои правила, которые отличаются от правил счетных сумм, и интересно, что сумма несчетного количества нулей может быть больше нуля. Таким образом, как говорил Кантор, мы видим, что различие между счетностью и несчетностью имеет решающее значение в определении вещественных чисел и, следовательно, в исчислении. Но картина еще не завершена. Почему в заголовке статьи, в которой Кантор дает определение вещественным числам, упоминаются «тригонометрические ряды»? Что это такое и какую роль они сыграли в развитии научной мысли Кантора? Об этом — в следующей главе.

ГЛАВА 4 Бесконечные ординальные числа

В 1883 году Георг Кантор опубликовал статью «Основы общего учения о многообразиях», которая стала кульминацией его математического творчества. В ней он впервые дал определение множеству бесконечных чисел, которые назвал ординальными. Зерно идей, изложенных в этой работе, уже присутствовало в статье, которую Кантор написал десятью годами ранее, но для того чтобы полностью развить их, ему требовалось преодолеть интеллектуальные предубеждения своей эпохи.

В подходе к математике Георга Кантора и Рихарда Дедекинда было много общего. В частности, оба соглашались с необходимостью ввести в нее понятие множества. Но что это такое — «понятие теории множеств»?

В статье 1883 года, озаглавленной «Основы общего учения о многообразиях» с подзаголовком «Математически-философский опыт учения о бесконечном» и изданной Кантором самостоятельно в виде отдельной монографии (с «самыми удивительными, самыми неожиданными идеями»), он отмечал: 

«Mannigfaltigkeitslehre [учение о многообразиях]. Этими словами я обозначаю одну чрезвычайно обширную дисциплину, которую до этого я пытался разработать лишь в специальной форме арифметического или геометрического учения о множествах. Под «многообразием» или «множеством» я понимаю вообще всякое многое, которое можно мыслить как единое, то есть всякую совокупность определенных элементов, которая может быть связана в одно целое с помощью некоторого закона». 

«Множество», таким образом, — это синоним «группы», в том смысле, в котором мы обычно употребляем это слово. Данное определение сыграло важнейшую роль в развитии математики, установив, что множество — это объект, отличный по своей сути от своих составляющих. Несколько лет спустя британский логик Бертран Рассел (1872-1970) проиллюстрировал это различие словами: «Табун лошадей — не то же самое, что лошадь».

Множество — как закрытый мешок, в котором содержатся абсолютно определенные вещи, но их нельзя увидеть, мы о них ничего не знаем, кроме того, что они существуют и они определены.

Рихард Дедекинд в письме немецкому математику Феликсу Бернштейну, 1899 год

Так, множество всех рациональных чисел, которое обычно обозначается буквой Q, имеет особые характеристики. Они относятся только к Q в целом, но не к рациональным числам по отдельности, например счетность. В случае, когда мы говорим о Q как о совокупности актуально существующей, определение множества подразумевает, что мы должны принять идею актуальной бесконечности.

Мы можем совершать операции с числами — складывать или умножать — так же, как с множествами (например, объединять). Если есть два множества, их объединение даст другое множество, включающее в себя все объекты, из которых состоят эти два множества. Если мы возьмем множество натуральных чисел N, членами которого являются 0, 1,2, 3, ..., и множество отрицательных целых чисел Ν', то их объединением будет множество целых чисел, которое обычно обозначается буквой Ζ (первой буквой немецкого слова Zahl, «число») и содержит одновременно члены N и Ν'. В записи математическими символами это выглядело бы так: N U Ν’ = Ζ (см. рисунок).

Одна из особенностей, которую Кантор описал в своей статье 1895 года, проиллюстрирована на рисунке: объединение двух счетных множеств всегда дает в результате счетное множество. Изучение свойств, которые относятся либо к множествам, либо к объектам самим по себе, составляет предмет так называемой теории множеств, и Кантор считается ее создателем, поскольку первым начал исследовать эти свойства. Одним из важнейших аспектов теории множеств является изучение мощности бесконечных множеств. Именно поэтому говорят, что теория множеств и теория математической бесконечности — это, в сущности, одна и та же теория.

Объединение двух множеств содержит одновременно элементы и того и другого.

ТОЧКИ СОПРИКОСНОВЕНИЯ

Выходит, что теория множеств родилась в 1883 году? Почему же тогда задолго до этого, в 1872 году, Кантор и Дедекинд уже сошлись на том, что в математику необходимо ввести понятия множеств?

В 1872 году Кантор опубликовал статью, в которой было предложено решение проблемы континуума. Решение состояло в том, чтобы найти такое определение вещественных чисел, которое не опиралось бы на геометрические понятия. Важно отметить, что уже тогда Кантор знал: эта задача приведет его к актуально бесконечным множествам.

В том же году Дедекинд опубликовал решение вопроса континуума, близкое к предложенному Кантором и основанное на так называемых дедекиндовых сечениях. Теперь понятно, почему в 1872 году двое ученых сочли, что их взгляды на математику настолько схожи.

БЕСКОНЕЧНОСТЬ БОЛЬЦАНО

Математик Бернард Больцано родился в Праге в 1781 году. В сочинении «Парадоксы бесконечного», опубликованном в 1851-м, спустя три года после его смерти, он предвосхитил некоторые идеи Кантора, обнародованные гораздо позже, пусть даже он не упомянул о существовании нескольких уровней бесконечности и не создал полноценную теорию математической бесконечности.

Тем не менее до середины 1880-х годов и Кантор, и Дедекинд допускали только существование групп, образованных числами или геометрическими точками, а не любыми объектами. Таким образом, отвечая на поставленный вопрос, мы можем сказать, что хотя в 1870-е годы Кантор и Дедекинд уже использовали связанный со множествами понятийный аппарат в своих работах, эти термины еще не были развиты до конца, так как применялись только к группам, состоящим из чисел или геометрических точек. Возможность того, что множество может состоять из любых объектов, Кантор принял во внимание только в 1883 году, но и то ограничился множествами, образованными числами, хоть и особого вида.

Необходимо подчеркнуть, что концептуальный переход к принятию идеи того, что множества могут быть образованы любыми объектами, уже был заложен в определении мощности, которое Кантор обнародовал в 1877 году. Утверждая, что мощность — это свойство группы, коллекции, которое возникает при абстрагировании от природы составляющих его членов, он подчеркивает: не важно, какими членами оно образовано.

Если мы возьмем любую группу и заменим, например, числа или точки буквами, идеями или любыми другими объектами, то ее мощность останется такой же, поскольку понятие мощности не зависит от природы членов коллекции.

ЛИЧНЫЕ КОНФЛИКТЫ

Статья 1883 года «Основы общего учения о многообразиях» стала кульминацией научной карьеры Кантора. К сожалению, этот период его жизни был также отмечен серьезными личными проблемами.

Эдуард Гейне, руководивший первыми исследованиями Кантора в Галле, умер 21 октября 1881 году. Тогда ученый задался амбициозной целью. Раз ему не удавалось перейти в престижный университет вроде Берлинского или Геттингенского, он решил привести в Галле знаменитых ученых, которым было близко его учение о бесконечности, и создать исследовательский центр. В качестве первого шага он убедил дирекцию университета предложить одно освободившееся место Дедекинду.

К большому удивлению и разочарованию Кантора, тот отклонил это предложение, и место было отдано Альберту Вангерину — второстепенному геометру, далекому от идей Кантора.

Причины, побудившие Дедекинда отказаться, нам точно не известны. К тому времени он уже 20 лет жил в родном Брауншвейге, где возглавлял коллегиум, в котором когда-то учился сам, и занимался исследовательской работой в своем темпе, без давления со стороны. Поэтому, возможно, причиной было банальное нежелание менять стиль жизни.

Я представляю себе множество как пропасть.

Георг Кантор — немецкому математику Феликсу Бернштейну, 1899 год

В любом случае Кантора этот отказ очень обидел, и дружба стала быстро угасать, а в конце 1882 года десятилетняя переписка и все прочие контакты были полностью прерваны.

Практически в тот же самый период, когда завершились отношения Кантора с Дедекиндом, он завязал переписку со шведским ученым Іестой Миттаг-Леффлером (1846— 1927) — известным математиком, который, как и Дедекинд, интересовался областью бесконечного. Тогда же, в 1882 году, Миттаг-Леффлер основал журнал Acta Mathematica. И Кантор обрел подходящую платформу для публикации своих работ, не попадая в зону влияния Кронекера. С 1883 по 1885 год в Acta Mathematica были опубликованы три статьи, в которых Кантор рассматривал вопросы, связанные с решением задачи контиуума.

Однако отношения с Миттаг-Леффлером не продлились долго. В 1884 году тот убедил Кантора отозвать одну из статей, будучи уверенным в том, что действует в пользу автора. Миттаг-Леффлер понимал, что статья, озаглавленная «Принципы теории порядковых типов», слишком умозрительна, ей недостает ясных и четких результатов, и она может навредить репутации теории множеств. Он ответил Кантору, что тот написал слишком много, но так и не предъявил конкретных результатов, а это может дискредитировать теорию, и в этом случае потребуется еще сто лет, прежде чем на его идеи вновь обратят внимание. Кантор плохо воспринял совет Миттаг-Леффлера, посчитав, что тот намекает, будто ему надо подождать еще сто лет с публикацией своих идей: 

«Если верить Миттаг-Леффлеру, мне придется ждать до 1984 года, что кажется слишком строгим требованием! [...] Разумеется, я и знать больше ничего не желаю об Acta Mathematical.» 

Кантор написал это в 1885 году, прекратил всякое общение с Миттаг-Леффлером и больше не отправил в Acta Mathematica ни одной статьи. «Принципы теории порядковых типов» так и не были опубликованы. Ученый переживал один из самых тяжелых периодов своей жизни. Потеряв Дедекинда, в глазах которого, как считал Кантор, его оклеветали, не имея возможности создать исследовательский центр в Галле или попасть в желанные университеты Берлина или Геттингена, в мае 1884 года он впал в депрессию. Ему потребовалось немало времени, чтобы выйти из нее. Его математическое творчество, так ярко раскрывшееся в «Основах общего учения о многообразиях» 1883 года, угасло вплоть до 1890-х годов. В этот переходный период Кантор опубликовал несколько статей, в которых с переменным успехом исследовал философские последствия и возможные применения в физике своей теории бесконечности. Он также увлекся идеей о том, что произведения Шекспира были на самом деле написаны Фрэнсисом Бэконом. Эта теория появилась во второй половине XVIII века, и хотя большинство ученых считают ее абсурдной, даже сегодня у нее есть сторонники. Кантор потратил много денег на приобретение старинных изданий Шекспира и написал три монографии по этой теме.

ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИЕ РЯДЫ

Но вернемся к самому блестящему периоду в карьере Кантора, к статье «Основы общего учения о многообразиях» 1883 года. История ее создания началась еще в 1869 году, когда Георг Кантор приехал в Галле и в качестве темы исследования Эдуард Гейне предложил ему задачу, связанную с тригонометрическими рядами Фурье. Что такое тригонометрический ряд? Представим себе закрепленную сверху пружину, к нижнему концу которой подвешен определенный груз. Исходное положение пружины на рисунке 1 обозначено буквой А. Теперь потянем груз вниз, пока не достигнем положения ß, и отпустим его. Пружина расширится и сожмется, пройдя через точки С, Д Е и F, а также через все промежуточные. Предположим, что перед нами идеальная ситуация, и пружина никогда не перестанет двигаться и всегда будет возвращаться в положение максимального сжатия (D на рисунке 1) и максимального растягивания (В и F). Если мы соединим последовательные положения пружины кривой линией, то получим математическое описание ее движения (см. рисунок 2). Заметим, что поскольку груз несколько раз проходит через одни и те же точки, график повторяется.

ГЁСТА МИТТАГ-ЛЕФФЛЕР

Магнус Гёста Миттаг-Леффлер родился в Стокгольме (Швеция) 16 марта 1846 года. Его талант проявился уже в ранней юности; у него было много интересов, среди которых — наука и литература. В1865 году он записался в Уппсальский университет (опять же в Швеции), намереваясь стать государственным чиновником, но вскоре перешел на математический факультет и в 1872 году защитил докторскую диссертацию. Миттаг-Леффлер внес большой вклад в область исчисления, в аналитическую геометрию, теорию вероятностей, теорию функций; он был членом почти всех математических обществ Европы и получил несколько званий почетного доктора наук в таких университетах, как Оксфордский, Кембриджский, Болонский и университет Осло. В 1882 году он основал журнал Acta Mathematica, который курировал до самой смерти 7 июля 1927 года. Журнал издается до сих пор.

В таком случае его называют периодическим. В XVIII веке математики обратили внимание на то, что очень многие физические явления — например, связанные с распространением звука или тепла — могут быть описаны при помощи периодических графиков. Они также заметили, что иногда эти графики оказываются прерывистыми, то есть в них наблюдаются резкие скачки. Например, на рисунке 3 представлен график, состоящий из последовательности косых линий. Чтобы изобразить его, мы должны отметить «скачок» от верхнего края каждой линии к нижнему краю следующей. Этот график описывает не физическое движение, а интенсивность звукового сигнала; горизонтальная линия обозначает нулевую интенсивность или тишину. Рассмотрим, как можно интерпретировать график при этих условиях. В начале — тишина, а затем появляется звуковой сигнал, который постепенно увеличивает интенсивность (это видно по тому, как возрастает первая косая линия); звук достигает своей максимальной интенсивности, а затем наступает тишина, но тут же опять начинает увеличиваться интенсивность звука, как в предыдущий раз, и снова достигает максимального уровня (мы видим, что вторая косая линия такая же, как первая). Опять наступает тишина, а затем повторяется та же схема, снова и снова.

РИС.1

РИС. 2

РИС. 3

В начале XIX века французский математик Жозеф Фурье (1768-1830) разработал метод, который позволил ему записать любой график как сумму особых, при этом очень простых кривых, которые математически выражаются при помощи функций, названных тригонометрическими. Эти суммы, в свою очередь, обычно предполагают бесконечное (потенциально) количество кривых, и, так как в математике бесконечные суммы обычно называют рядами, этот метод сегодня известен как разложение на тригонометрические ряды, или ряды Фурье. Благодаря ему Фурье смог успешно изучить большое количество физических явлений, и он по-прежнему остается важным инструментом во многих областях математики, физики и инженерного дела.

ПАРАДОКС

Каков результат операции 1-1 + 1-1 + 1-..., которая продолжается бесконечно? Немецкий математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646-1716) утверждал, что результатом этого «бесконечного вычисления» будет 1/2. Рассмотрим ход его рассуждений. Обозначим результат буквой S. Следовательно,

1-1 + 1-1 + 1-...=S

1-(1-1 + 1-1-...)=S.

Портрет Готфрида Вильгельма фон Лейбница, музей герцога Антона Ульриха в Брауншвейге (Германия), около 1700 года.

Поэтому результат выражения в скобках также будет равен S. Таким образом, получается, что 1 - S = S, откуда можно вывести, что S равно 1/2. Но мы можем сгруппировать члены выражения и по-другому:

1-1 + 1-1 + 1-.. . = (1-1)+(1-1)+(1-1)+... = 0 + 0 + 0+.. . = 0.

В этом случае мы получим 0. Или же мы можем сгруппировать так:

1-1 + 1-1 + 1-... = 1-(1-1)-(1-1)-... = 1-0-0-... = 1,

и результат будет равен 1. Какой же результат правильный: 1/2,0 или 1? Такие парадоксы мучили математиков на протяжении десятков лет, пока наконец в XIX веке не были выведены правила оперирования бесконечных сложений и вычитаний. На самом деле выражение 1-1+1-1+1-... не имеет никакого результата. Другими словами, предполагаемый результат на самом деле не существует. Рассуждения Лейбница неверны именно потому, что числа S нет.

ЕДИНСТВЕННОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ

В 1860-е годы в Галле Эдуард Гейне решил проверить, всегда ли будет одинаковым разложение такого периодического графика, как ряд Фурье. Другими словами, Гейне хотел узнать, может ли один периодический график быть записан в виде двух разных тригонометрических рядов.

Ему удалось доказать, что если в графике нет «скачков» или прерывностей, то он в самом деле будет иметь только один возможный вариант разложения. Но Гейне не нашел общего доказательства, которое было бы действительным для всех возможных ситуаций. Так, он не доказал единственность в случае, если в периоде — так называется классический постоянно повторяющийся график — бесконечное (потенциально) количество разрывов. Когда в 1869 году Кантор прибыл в Галле, Гейне предложил ему разобраться, будет ли разложение периодического графика всегда единственным, даже если количество «скачков» продолжит расти до бесконечности.

Кантор занялся этой задачей и в 1870 году получил первый результат: разложение будет единственным только при условии, что скачки распределены определенным образом, то есть отвечают особым требованиям. Точки графика имеют две координаты — абсциссу и ординату. Именно абсциссы должны выполнять эти условия. Однако Кантору было непросто выразить их конкретным, точным и изящным способом. Разумеется, он хорошо понимал, что это за условия, но не находил ясных и понятных слов для их описания.

ПРОИЗВОДНЫЕ МНОЖЕСТВА

С 1870 по 1872 год Кантор опубликовал пять статей, в которых окончательно сформулировал свое решение задачи единственного способа разложения ряда Фурье. В процессе помимо прочего он нашел ответ на проблему континуума, и поэтому его определение вещественных чисел через фундаментальные последовательности было опубликовано в рамках работы по тригонометрическим рядам.

Как же он смог сформулировать условие, которому должны соответствовать абсциссы прерывных точек периодического графика, чтобы их разложение на ряд Фурье было единственно возможным? Для этого Кантор разработал понятие производного множества, очень важное для нас, поскольку оно направило его на путь, который в итоге привел его к знаковой статье 1883 года. Рассмотрим, что такое производное множество и как с его помощью ученому удалось решить заданную Гейне задачу.

В нашем случае необходимо рассматривать последовательности, состоящие из бесконечного количества чисел, различных между собой.

Возьмем множество рациональных чисел. Очевидно, что π как иррациональное число не принадлежит к этой группе, и тем не менее его можно представить в виде последовательности рациональных чисел. Мы можем найти такую последовательность, состоящую исключительно из рациональных чисел, что по мере продвижения вперед будем получать числа все ближе к π. В примере из предыдущей главы последовательность 3,1; 3,14; 3,141; 3,1415;... получается путем прибавления к каждому последующему числу одного знака после запятой в числе π.

Это справедливо и для любого другого иррационального числа: мы всегда сможем приблизиться к нему через последовательность рациональных чисел. То же распространяется и на рациональные последовательности. Например, если мы возьмем число 0,75, то последовательность 0,751; 0,7501; 0,75001; 0,750001;... будет все ближе подходить к нему. То есть приближение любого вещественного числа возможно через последовательность рациональных чисел (что по сути и является решением Кантора задачи о континууме).

БЕСКОНЕЧНЫЕ СУММЫ

Математики XIX века, корпевшие над логическим обоснованием исчисления и открывшие ряды, то есть бесконечные суммы, выработали свои правила, которые существенно отличаются от тех, которые используются для привычных конечных сумм. В 1854 году немецкий математик Бернхард Риман (1826-1866) доказал: некоторые бесконечные суммы не обладают коммутативностью; другими словами, они могут быть реорганизованы так, что получится другой результат. Например, в ряде

сумма которого равна 0,6931471..., слагаемые могут быть распределены так, чтобы получился любой желаемый результат.

Георг Фридрих Бернхард Риман, 1862 год.

Если Р — произвольное множество чисел, то производным от Р множеством Кантор называл группу чисел, которые можно аппроксимировать через последовательности, состоящие из элементов Р. Он обозначил такое множество Р. Если Q — множество рациональных чисел, то предыдущий пример показывает, что Q' = R, где R обозначает множество всех вещественных чисел.

Труды Кантора — прекрасный плод математического гения и одно из высочайших достижений человеческого интеллекта.

Давид Гильберт, немецкий математик

В статьях начала 1870-х годов Кантор представлял определение производного множества в терминах потенциально бесконечных множеств. Но сама структура Q' отсылает к актуальной бесконечности, поскольку Q заключает в себе все рациональные числа. С другой стороны, определение Q' приводит нас к последовательностям и к определению вещественных чисел. Рассмотрим теперь, как проблема тригонометрических рядов подтолкнула Кантора к двум основным темам его последующих математических исследований — к актуальной бесконечности и к задаче о континууме.

УСЛОВИЕ ЕДИНСТВЕННОСТИ

Теперь возьмем множество Р, состоящее исключительно из чисел 0, 1 и 2. Множество Р, по определению Кантора, содержит все числа, которые можно аппроксимировать посредством последовательностей, состоящих из бесконечных различающихся элементов Р. Очевидно, что бесконечных и различающихся элементов Р не существует, поскольку их в этом множестве всего три.

Так как создать даже одну последовательность элементов Р невозможно, то в Р ничего нет. В этом случае, как писал Кантор, Р аннулируется. Сегодня мы бы сказали, что Р — пустое множество, то есть в нем нет составляющих, но мы оставим выражение Кантора. Чтобы понять условие единственности, найденное Кантором, вернемся к примеру производного Q' и убедимся, что оно также является множеством чисел, а значит, мы можем рассчитать его производное. Кантор записывал производное от производного Q как Q". Поскольку оно тоже является множеством, то мы можем рассчитать и его производное, которое будет записано как Q(3); а его производное — как Q(4), и так далее.

В случае с Q эта цепь производных не дает интересного результата, потому что Q', Q", Q(3), Q(4),... являются множествами вещественных чисел, а значит, продолжая получать их производные, мы не достигнем ничего нового. Но существуют такие множества Р (о них мы не будем говорить подробно), производные которых Р', Р", Р(3), Р(4) ... являются разными множествами или такими, что в конце концов процесс получения производных Р', Р", Р(3), Р(4) ... аннулируется. Например, можно найти множество Р, для которого Р состоит из чисел 0, 1 и 2. В этом случае Р", производное от Р', аннулируется. В других случаях аннулируется Р' в третьих — Р(3)или Р(4) и так далее. Разумеется, для Q этот процесс никогда не закончится, потому что на всех его этапах мы получим множество вещественных чисел R. Условие единственности, найденное Кантором, состоит в следующем: если Р — множество абсцисс точек прерывания периодического графика, то для того чтобы был всего один способ разложить его в тригонометрический ряд, достаточно, чтобы процесс Р', Р", Р(3), Р(4),... рано или поздно заканчивался. Так Кантор смог ясно и точно изложить условие, обеспечивающее единственно возможный способ разложения на ряд Фурье, и решил задачу, поставленную перед ним Гейне в 1869 году.

ЭДУАРД ГЕЙНЕ

Генрих Эдуард Гейне родился в Берлине, в Германии, 16 марта 1821 года и был восьмым из девяти детей. В 1838 году он поступил в Геттингенский университет и начал изучать математику, но в следующем году перешел в Берлинский университет, где 30 апреля 1842 года получил степень доктора. Два года спустя он стал преподавателем в университете в Бонне, а в 1856 году — в Галле. Там он читал различные лекции в разных областях вычисления и физики; его высоко ценили за ясность изложения. Гейне внес большой вклад в область логического обоснования вычисления. Он умер в Галле 21 октября 1881 года.

НА ПУТИ К БЕСКОНЕЧНОСТИ

В 1860-е годы Гейне доказал, что способ разложения периодического графика будет единственным, если он непрерывен, а также если в каждом его периоде конечное количество «прерываний». Решение Кантора подходит для обоих результатов и для случаев бесконечного количества прерываний в каждом периоде.

То есть если наблюдается непрерывность, разложение будет единственным, если в каждом периоде конечное количество прерываний — результат будет тем же. Продолжая эти рассуждения, Кантор создавал гипотезы, которые звучали примерно так: «Если в каждом периоде есть бесконечное количество прерываний, но их «немного», то разложение будет единственным». «Бесконечные, но их немного» — эта фраза может показаться противоречивой, но не для Кантора. Для него «немногое бесконечное» означало «счетное бесконечное», то есть прерывания бесконечны, но их мощность при этом должна быть меньше мощности вещественных чисел.

Впечатление, которое производит на нас писанина Кантора, просто ужасно. Читать ее — настоящая пытка.

Шарль Эрмит, французский математик, 1883 год

Итак, Кантор постулировал — и доказал это в своих «Основаниях общей теории многообразий» 1883 года, — что процесс получения производных Р', Р", Р(3), Р(4) ... в определенный момент аннулируется именно в тех случаях, когда оба множества Р и Р' конечны или счетны. Надо отметить, что Кантор уже высказывал такое предположение в 1872 году. Почему на доказательство ему потребовалось десять лет? На самом деле трудность была не столько технической, сколько психологической.

Сколько этапов потребуется преодолеть, чтобы процесс Р', Р", Р(3), Р(4) ... аннулировался? Это может произойти и на первом этапе, и на втором, и на третьем и так далее, но не все так просто.

Вернемся к последовательности 3,1; 3,14; 3,141; 3,1415;..., которая постепенно все больше приближается к числу π.

Обычно в таких случаях говорят, что последовательность «приближается к числу π бесконечно»; причем «бесконечно» должно пониматься потенциально, то есть числа 3,1; 3,14; 3,141; 3,1415;... стремятся к π, но никогда его не достигнут.

В ходе своих исследований Кантор нашел пример, в котором Р', Р", Р(3), Р(4) ... были разными множествами, но процесс получения их производных не аннулировался ни при каком конечном количестве переходов. Так он смог выявить множество P(∞). Символ ∞, введенный Джоном Валлисом в 1655 году, обычно использовался в исчислении для обозначения потенциальной бесконечности. Так же как числа 3,1; 3,14; 3,141; 3,1415;... все больше походят на число π, к множеству F“) все больше приближаются последовательные множества Р', Р", Р(3), Р(4) ... Однако в приведенном примере Кантор также обнаружил, что ix°°) состоит из чисел 0, 1 и 2, а следовательно, его производное аннулируется. Но каково же производное множества P(∞)? Если производное от Р(3) — это Р(4), а производное от Р(4) - Р(5), логично было бы предположить, что производное от P(∞) — это P(∞+1). Это означало бы, что процесс аннулируется после

∞ + 1 переходов. Что означает «∞ + 1»?

Кантор нашел случаи, в которых процесс аннулировался на этапе ∞ + 2, или ∞ + 3, или ∞ + ∞, но не мог объяснить эти символы. Точнее, признать их тем, чем они были на самом деле, ему мешал уже упомянутый психологический барьер.

НЕОБЫКНОВЕННЫЕ ОТКРОВЕНИЯ

«[...] по воле всемогущего Бога меня озарили самые удивительные, самые неожиданные идеи о теории ансамблей и теории чисел. Скажу больше, я нашел то, что бродило во мне в течение долгих лет».

В этом письме Дедекинду Кантор сообщает: в 1882 году он понял, что символы ∞, ∞ + 1, ∞ + 2, ..., ∞ + ∞, ∞ + ∞ + 1, ... являются не чем иным, как трансфинитными числами, то есть такими, которые позволяют считать за пределами натуральных чисел. В первую очередь, он назвал их ординальными и, чтобы подчеркнуть, что они являются актуально бесконечными, символ оо, ассоциирующийся с потенциальной бесконечностью, заменил греческой буквой ω.

Что такое ординальные числа? Как утверждал Кантор в своей работе 1883 года, существуют два принципа порождения ординальных чисел. Первый состоит в том, что за каждым ординальным числом непосредственно идет следующее. Согласно второму принципу, если есть последовательность ординальных чисел, то и за ней сразу же идет ординальное число.

Первое ординальное число — 0, за ним идет, разумеется, 1, потом 2, 3 и так далее. Ординальные числа 0, 1,2, 3,... являются конечными, или, как говорил Кантор, числами «первого класса».

По второму принципу порождения, за последовательностью 0, 1,2, 3, 4,... стоит ординальное число: имеется в виду ω, первое трансфинитное ординальное число. Затем следуют ω + 1, ω + 2, ω + 3, ...; дальше, опять применив второй принцип порождения, мы получим новое ординальное число ω + ω, а после него — ω + ω + 1, ω + ω + 2,...

Резюмируя, ряд ординальных чисел начинается так: 0,1,2, 3,...,ω,ω + 1,ω + 2,...,ω + ω+1,ω + ω + 2,...,ω + ω + ω + 1,...,где многоточие обозначает бесконечное количество членов.

Теперь вернемся к ординалу ω и подумаем о множестве всех предшествующих ему чисел, то есть обо всех ординальных числах меньше ω. Это множество состоит из чисел 0, 1,2, 3,..., и поскольку оно счетное, Кантор утверждает, что ω — ординал «второго класса». У ординалов первого класса конечное количество предшественников, а у второго класса — счетное. Ординальное число, например ω + 1, всегда будет числом второго класса, потому что ему предшествуют числа 0,1,2,3,..., ω, образующие счетное множество. Ординальные числа ω, со + 1, ω + 2, ..., ω + ω+ 1, ω + ω + 2,..., ω + ω + ω + 1,... относятся ко второму классу. Теперь обратимся к последовательности всех ординалов второго класса: согласно второму принципу порождения, сразу же за ними идет еще одно ординальное число. Обычно оно обозначается символом Ω. Возникает вопрос: к какому классу относится Ω?

В статье 1883 года Кантор смог доказать, что все числа, предшествующие Ω, то есть и первого, и второго классов, составляют несчетное множество. Следовательно, число Ω не принадлежит ко второму классу, а является первым ординалом «третьего класса». Еще большую важность имеет тот факт, что Кантор доказал: множествам первого и второго классов соответствует кардинальное число, идущее непосредственно за кардинальным числом натуральных чисел.

Обратим внимание на изящество системы Кантора (см. рисунок): множество ординальных чисел первого класса счетное, а его кардинальное число — самое маленькое из всех бесконечных кардинальных чисел. Если мы добавим числа второго класса, то получим следующее непосредственно за ним кардинальное число. Если добавим числа третьего класса — следующее и так далее для четвертого, пятого и других классов. В 1883 году у этих кардинальных чисел еще не было отдельного названия. Кантор дал им имя в 1895 году.

В «Основаниях общей теории многообразий» математик писал, что всегда предполагал существование кардинальных чисел, больших, чем у вещественных чисел, но до того момента ему не удавалось найти никакого примера. Эта система ординалов («изящная спираль ординалов и кардиналов», по определению историка Хосе Феррейроса) позволила ему наконец доказать существование бесконечного числа уровней бесконечности.

Где в этой системе располагается кардинальное число вещественных чисел? Как мы видели, чтобы получить кардинальное число, идущее непосредственно за кардинальным числом натуральных чисел, надо прибавить первый класс ко второму. Напомним также: континуум-гипотеза гласит, что это кардинальное число вещественных чисел. Это значит, что если бы континуум-гипотеза была верной, то вся наша теория обрела бы элегантную последовательность, так как первый класс дал бы нам кардинальное число натуральных чисел, а второй класс — вещественных чисел. Сделав это открытие, Кантор понял, что континуум-гипотеза — краеугольный камень его теории, и стал одержим ее доказательством. Однако это ему не удалось, и, возможно, разочарование от неудачи стало одной из причин депрессии, поразившей его в мае 1884 года. Кантор не дожил до того момента, когда смог бы удостовериться, верна гипотеза или нет.

АТАКА ПАРАДОКСОВ

Одно из возражений, предъявленных Кантору тогда, состояло в том, что ординальных чисел просто-напросто не существует.

Каждый раз, прибавляя целый класс ординальных чисел, мы переходим к следующему кардинальному.

В ответе Кантор опирался на свою философию математики, в соответствии с которой любой объект, получивший определение от математика, существует по той простой причине, что его определили, с одним лишь условием, что это определение не должно вести к логическим противоречиям. Но верно ли то, что свойства ординальных чисел не ведут к противоречиям? Вернемся ко второму принципу порождения: если дана любая последовательность ординальных чисел, то всегда будет еще одно ординальное число, большее, чем все ее составляющие. В свете этого принципа, если мы берем последовательность, состоящую из всех ординальных чисел, то должно быть еще одно ординальное число, большее, чем все они. Но как может существовать еще один ординал, если все они уже входят в последовательность? Мы сталкиваемся с логическим противоречием. Кантор обнаружил его в 1882 году.

Дабы разрешить это противоречие, в статье 1883 года он ввел третий принцип порождения ординалов, по которому второй принцип не может применяться к последовательности всех ординальных чисел. Это была своеобразная «заплатка», чтобы устранить парадокс.

Логические противоречия в математической теории — всегда плохой признак, так как они свидетельствуют об ошибке в самом ее основании. И хотя в данном случае парадокс можно было решить, как это Кантор и сделал, добавив третий принцип, само его появление служит сигналом тревоги. Однако ученый не выказал волнений по этому поводу — напротив, принял это с облегчением и радостью.

КАНТОРОВО МНОЖЕСТВО

В одной из статей, опубликованных в Acta Mathematica, Кантор предлагал определение множества, описывающего последовательные переходы. При первом переходе имеется отрезок, который мы определим как множество всех вещественных чисел между 0 и 1. При втором переходе отрезок делится на три равные части и центральная (вторая строка на рисунке) убирается. При третьем переходе мы повторяем этот процесс для каждой из оставшихся частей, делим их натрое, убираем среднюю часть и так далее. Канторово множество состоит из всех точек, оставшихся после бесконечного количества переходов. На первый взгляд может показаться, что не осталось ни одной точки, однако Кантор смог доказать существование взаимно однозначного соответствия между троичным множеством и множеством всех вещественных чисел. Другими словами, исходя из понятия мощности, после бесконечных переходов останется столько точек, сколько их существует на всей прямой.

Уже говорилось, что Святой Августин и ряд богословов считали бесконечность исключительно божественной характеристикой, а попытки человеческого разума понять ее — ересью. Эта мысль терзала Кантора, который всегда был религиозен. Но парадокс — таким, как понимал его он, — освобождал его от этого груза.

Кантор разделил бесконечное на два уровня: нижний относится к трансфинитному и включает в себя множества натуральных, вещественных, ординальных чисел класса I, II, III,... и все понятия его теории, за исключением множества всех ординальных чисел. Последнее находилось на абсолютном уровне бесконечности, которое относилось к сфере божественного.

Кантор считал, что человеческий разум может постичь трансфинитное. Но возникающий парадокс указывал на то, что абсолютный, божественный, уровень — выше его способностей. Он появляется не из-за ошибки в теории, а из-за попытки человека удержать понятие, которое превосходит его умственные возможности. Так, оставляя уровень бесконечности Богу, Кантор — в первую очередь человек, а потом уже математик — смог успокоить свою религиозную совесть. И если говорить о логических нестыковках в теории Кантора, многие математики, в том числе и его сторонники, не соглашались с подобной интерпретацией парадоксов.

ГЛАВА 5 Алефы

Было бы наивно предположить, что «бесконечность плюс бесконечность» даст просто «бесконечность» и к ней нельзя ничего добавить. Однако во второй половине 1890-х годов Георг Кантор опубликовал статью, в которой ввел обозначение для бесконечных кардинальных чисел — букву «алеф» еврейского алфавита. С ее помощью он создал «арифметику бесконечности», которая показала, что вопрос «сложения бесконечности и бесконечности» требует более пристального рассмотрения.

В первой половине XX века немецкий физик Макс Планк (1858-1947) писал: 

«Новая научная истина торжествует не потому, что ее противники признают свою неправоту Просто ее оппоненты со временем вымирают, а подрастающее поколение знакомо с нею с самого начала». 

Планк имел в виду квантовую механику — теорию, которая произвела революцию в физике XX века, но это замечание прекрасно подходит и для теории Кантора. Действительно, многие математики поколения, родившегося в последние десятилетия XIX века, далекие от предрассудков своих старших коллег, видели в теории бесконечности интересный и стимулирующий потенциал. Одним из самых известных сторонников Кантора был Давид Гильберт, блестящий немецкий математик, родившийся в 1862 году. Когда в начале XX века в теории бесконечности были обнаружены парадоксы и многие из тех, кто сначала верил в нее, начали сомневаться, Гильберт стал главным защитником идей Кантора.

В 1900 году Гильберт был приглашен на конференцию, посвященную открытию Второго международного конгресса математиков в Париже. Это было свидетельством признания его академических заслуг.

На знаменитой конференции Гильберт представил 23 задачи, которые не могли быть решены на тот момент и которые, как он полагал, задали бы направление развитию математики в XX веке. Первым пунктом списка значилась задача, в которой требовалось подтвердить или опровергнуть континуум- гипотезу (напомним, она была сформулирована Кантором в 1878 году, и согласно ей между мощностью множеств натуральных и вещественных чисел отсутствует промежуточная).

ОСНОВА МАТЕМАТИКИ

Благодаря новому поколению математиков, к 1890 году теория множеств и теория бесконечности не только оказались приняты, но и стали основой многих новых областей математики, появившихся в те годы. Прежде всего, понятия теории множеств, в частности различия между счетными и несчетными множествами, являются фундаментальными в теории меры — обобщении исчисления, созданном в последние годы XIX века французскими математиками Эмилем Борелем (1871-1956) и Анри Лебегом (1875-1941). Также они имеют основополагающее значение в топологии — еще одной обобщенной теории исчисления, которая зародилась в тот же период в работах другого французского математика Анри Пуанкаре (1854-1912) (хотя впоследствии из-за большого количества вскрытых парадоксов Пуанкаре стал одним из противников теории множеств).

В это время обрела форму идея того, что теория множеств может быть основой всей математики. Но что конкретно это значило? На протяжении веков образцом математической мысли была классическая древнегреческая геометрия. Более того, считалось, что самый четкий способ объяснения математических понятий — это представление их посредством геометрии. Число, в частности иррациональное число, можно было представить как отрезок, а числовые операции — как построения.

Георг Кантор, около 1894 года.

Анри Лебег, французский математик.

Эмиль Борель, 1929 год. Вместе с Лебегом он начал обобщать понятия теории множеств, чтобы создать на их основе теорию меры.

В 1890-е годы Анри Пуанкаре утверждал, что понятия теории множеств необходимы и для топологии.

Декарт в сочинении «Правила для руководства ума», написанном в 1620-е годы, объясняет, что умножение двух чисел, то есть двух отрезков, в сущности состоит в том, чтобы построить прямоугольник, сторонами которого и будут эти отрезки. Отметим: Декарт не говорит, как мы сейчас, что произведение сторон позволит нам получить площадь прямоугольника. Он утверждает, что прямоугольник является произведением двух чисел; понятия и операции воспринимались как геометрические объекты и построения.

Никто не сможет изгнать нас из рая, созданного Кантором.

Давид Гильберт (1862-1943), немецкий математик

Это господство геометрии в XIX веке стало постепенно сходить на нет — процесс был назван арифметизацией исчисления. В результате математические понятия, особенно связанные с исчислением, перестали пониматься через призму геометрии и отныне основывались исключительно на числах. Однако если числа — это не отрезки, то что тогда? Некоторые математики, среди которых был и Рихард Дедекинд, увидели ответ на этот вопрос в теории множеств. Если определения чисел и операции с ними больше не отталкивались от геометрических понятий, то их место могли бы занять понятия теории множеств.

В 1872 году Дедекинд уже использовал теорию множеств для определения вещественных чисел, но в нем предполагалось существование рациональных чисел, а они, в свою очередь, определяются на основе натуральных.

Как мы определяем натуральные числа, которые находятся в начале этой цепи понятий (рисунок 1)?

Дедекинд ответил на этот вопрос в статье Was sind und was sollen die Zahlen {«Что такое числа и для чего они служат»), опубликованной в 1887 году как самостоятельная монография. В ней Дедекинд использует определение множества, предложенное Кантором в 1883 году (Дедекинд называл множества «системой элементов»), а также объединения множеств. По мнению ученого, натуральные числа — всего лишь кардинальные числа конечных множеств. Он называет число 0 кардинальным числом пустого множества (такого, в котором нет членов), 1 — кардинальным числом любого множества с одним членом и так далее.

РИСУНОК 1: Определения числовых множеств. После определения натуральных чисел остальные множества могут быть последовательно определены на их основе.

РИСУНОК 2: Для того чтобы объединение не было равно сумме, у двух множеств не должно быть общих элементов.

В свою очередь, сумма чисел определяется посредством объединения множеств. Так, когда мы говорим: «1 + 1 = 2», на самом деле мы утверждаем, что если даны два множества и кардинальное число каждого равно 1, то их общее кардинальное число будет равно 2 (рисунок 2 на предыдущей странице).

Таким же образом все математические понятия могут быть сведены к понятиям теории множеств. Мнение о том, что математика основана на теории множеств, серьезно повлияло на науку XX века и продолжает влиять на нее сейчас.

НЕМЕЦКОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО

Последнее десятилетие XIX века началось для Кантора чрезвычайно благоприятно. Молодые математики принимали, изучали и применяли его теорию бесконечности, а Рихард Дедекинд тем временем предлагал сделать из теории множеств основу всей математической науки. К этим обстоятельствам добавилось еще одно событие, внушавшее оптимизм: в 1890 году было создано Немецкое математическое общество, и Кантор был избран его первым президентом. Он занимал эту должность до 1893 года.

Появление общества было результатом интенсивной работы, в которой оправившийся от депрессии Кантор принял активное участие и которая совпала с объединением Германии.

В начале XIX века страна в действительности была разделена на 38 политически независимых «государств», у которых, тем не менее, были общий язык, культура и история. Самым сильным из них была Пруссия. Примерно в 1860 году прусский первый министр, «железный канцлер» Отто фон Бисмарк начал процесс объединения, в ходе которого произошли три военных конфликта и были заключены несколько политических союзов. Процесс завершился 18 января 1871 года провозглашением Германской империи, объединенной под короной Вильгельма I, бывшего до этого королем Пруссии.

Тот, кто хоть раз испытал на себе очарование личности Кантора, знает, что он полон проницательности, темперамента, изобретательности и оригинальности.

Артур Мориц Шенфлис (1853-1928), немецкий математик

Однако в конце 1880-х годов Кантор и его коллеги, среди которых знаменитый геометр Феликс Клейн (1849-1925), заметили, что хотя с момента объединения страны прошло уже почти 20 лет, в отдельных регионах еще сохранялась зависть к соседям, мешавшая плодотворному сотрудничеству. Поэтому многие ученые увлеклись идеей создания общества, которое объединило бы всех немецких математиков. Этот проект обрел реальные черты в 1890 году, а Кантор стал первым президентом новой ассоциации.

Открытие Немецкого математического общества состоялось в сентябре 1891 года, и в знак примирения со старым врагом Кантор лично пригласил Кронекера прочитать лекцию.

Тот принял приглашение, но, к сожалению, не смог приехать, так как в августе его жена стала жертвой несчастного случая и спустя месяц умерла. Кронекер пережил ее не намного: его не стало 29 декабря того же года.

ВОЗВРАЩЕНИЕ

В 1890-е годы Кантор, выздоровевший и примирившийся с научным сообществом, возобновил свои математические исследования. Их результатом стала публикация двух статей — последних, которые он отправил в печать при жизни. Первая называлась Über eine elementare Frage der Mannigfaltigkeitslehre («Об одном элементарном вопросе учения о многообразиях») и была опубликована в 1892 году в первом ежегодном альманахе Немецкого математического общества.

Вторая статья стала одной из самых известных и была издана в двух частях: первая в 1895-м, а вторая в 1897 году. Обе вышли в журнале «Математические анналы» под заголовком Beiträge zur Begründung der transfiniten Mengenlehre («К обоснованию учения о трансфинитных множествах»).

В диаметре Алеф имел два-три сантиметра, но было в нем все пространство Вселенной, причем ничуть не уменьшенное.

Из рассказа «Алеф» Хорхе Луиса Борхеса

Проанализируем содержание этих статей, но в обратном хронологическом порядке.

Историк Хосе Феррейрос совершенно справедливо утверждает, что теория трансфинитных множеств — это «научное завещание Кантора». Действительно, в этой работе ученый использует все основные понятия своей теории бесконечности, в частности кардинальных и ординальных чисел, и изучает их свойства и взаимоотношения.

Одним из нововведений стало обозначение бесконечных кардинальных чисел (мощностей) алефом, א. Это первая буква еврейского алфавита. Первое бесконечное кардинальное число, соответствующее множеству натуральных чисел, как любое другое счетное множество, Кантор назвал X0 (читается «алеф-нуль»);

(далее в тексте алеф заменяется на X)

X1— второе бесконечное кардинальное число, X2 — третье и так далее. Следовательно, множество всех ординальных чисел первого класса, то есть всех натуральных чисел, имеет мощность X0 .  Добавив ординалы второго класса, мы получим мощность X1, третьего класса — множество с мощностью X2 и так далее (см. рисунок). После этого замечания вопрос о том, верна ли континуум-гипотеза, то есть верно ли предположение Кантора, что промежуточной мощности между мощностью натуральных и вещественных чисел не существует, видоизменяется: равна ли мощность вещественных чисел X1? (Обратим внимание, что меньшая бесконечная мощность — это X0, а непосредственно за ней идет X1 ; мы также знаем, что мощность вещественных чисел не равна X0 потому что они несчетны; поэтому, если она не равна X1, единственная альтернатива — что она больше этого значения.)

Каждый раз, добавляя целый следующий класс ординальных чисел, мы непосредственно переходим к следующему кардинальному числу.

СКОЛЬКО ВСЕГО АЛЕФОВ?

Последовательность алефов начинается с X2 ,X1 ,X0,,... Но сколько их всего? Каждому натуральному числу соответствует один алеф и, следовательно, они счетные? На самом деле нижние индексы — ординальные числа. После бесконечного числа Xn, где n — все натуральные числа, идут  Xω+1, Xω+1, ..., Xω+ω, Xω+ω+1,... и так далее. Значит, ответ на вопрос таков: бесконечных кардинальных чисел столько же, сколько ординальных (всех классов).

ТРАНСФИНИТНАЯ АРИФМЕТИКА

В своем «Обосновании» Кантор опирается на работу Дедекинда 1887 года, хотя и не ссылается на нее открыто. Как и Дедекинд, он считает, что натуральные числа — кардиналы конечных множеств, а их сумма получается посредством объединения. Однако Кантор распространил эту идею и на бесконечные кардинальные числа и открыл область, которую назвал трансфинитной арифметикой. С точки зрения теории множеств 1 + 1 = 2 означает, что если мы объединим два разных множества с мощностью каждого, равной 1, то получим множество с мощностью 2. Можно выразить это другим способом, сказав, что если к множеству с мощностью 1 мы прибавим еще один объект, то результатом будет множество с мощностью 2. Следуя логике этих рассуждений, если к натуральным числам (с мощностью X0 ) прибавить число -1, мы получим множество -1, 0, 1, 2, 3, 4,..., эквивалентное множеству натуральных чисел и, следовательно, имеющее мощность X0 (напомним, что два эквивалентных множества равномощны). Итак, прибавляя новый объект к множеству мощностью X0 , мы получим другое множество с мощностью X0 ; говоря языком трансфинитной арифметики, X0 + 1 = X0 (см. рисунок 3).

Аналогично мы можем доказать, что если к множеству с мощностью X0 прибавить два объекта, то результатом опять будет множество мощностью X0 , то есть X0 + 2 = X0 ; это же справедливо и для X0 +3 = X0 и X0 + 4= X0 , и так далее для всех натуральных чисел. Эти равенства свидетельствуют о том, что если к счетному множеству прибавить конечное количество объектов, мы снова получим счетное множество.

Что происходит с X0 + X0 ? Другими словами, какую мощность мы получим, объединив два счетных множества? В «Основаниях·» Кантор доказал, что объединением двух счетных множеств будет также счетное множество. Например, натуральные числа и отрицательные -1,-2, -3, -4,... в результате дадут множество целых чисел. Следовательно, мы можем сказать, что X0 + X0 = X0 .

Рассмотрим последний пример. Мы уже отметили, что у множества ординальных чисел первого класса (то есть натуральных) мощность равна X0 и что если мы прибавим к ним множество ординальных чисел второго класса (которое начинается c ω. ω + 1, ω + 2,...), то образованное множество будет иметь мощность X1 . Кантор же доказал, что и множество ординалов второго класса само по себе имеет мощность X1 . Если к множеству мощностью X1 (то есть только ординалов второго класса) прибавить множество мощностью X0 (ординалы первого класса), мы получим множество с мощностью X1 (ординалы первого и второго классов вместе); в терминах трансфинитной арифметики это означает, что X0 + X1 = X1 (см. рисунок 4).

В действительности мы можем доказать, что дважды сложив одно и то же бесконечное кардинальное число, в результате получим его же (как в случае с X0 + X0 = X0 ), и если мы сложим два разных бесконечных кардинальных числа, то результатом будет большее из них ( X0 + X1 = X1). Следовательно, можно утверждать, что X1 + X1 = X1 и X2 + X2 = X2 .

РИС. 3

РИС. 4

МНОЖЕСТВО МНОЖЕСТВ

Рассмотрим еще одну операцию трансфинитной математики, но сначала необходимо ввести несколько терминов. Множество надо понимать как вещь в себе, отличную от членов, которые его составляют. Так, Q, множество всех рациональных чисел, и I, множество иррациональных, являются каждое одним объектом. Тогда мы можем представить множество, составленное только этими двумя объектами — Q и I, — которое мы условимся называть D. Членов D всего два: это Q и I, следовательно, его мощность равна 2. Не следует путать D с объединением Q и I, которое получается, если в одно множество собрать все члены двух множеств, и в результате дает множество всех вещественных чисел R. Число 3/2, например, является членом Q и R, но не D. Здесь можно провести аналогию со множеством, образованным планетами солнечной системы, назовем его 5. В нем восемь членов: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. С другой стороны, Земля сама по себе может быть представлена как множество, члены которого — человеческие существа.

ПРОИЗВЕДЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ

В рамках трансфинитной арифметики помимо суммы мы можем определить произведение кардинальных чисел. Для этого надо обратиться к так называемому декартову произведению множеств. Если А и В — произвольные множества, их декартово произведение будет записываться как А x В и определяться как множество, образованное всеми парами, первые члены которых являются элементами А, а вторые — В. Как это делается в текстах по теории множеств, пара, образованная, например, числами 1 и 2, обозначается как (1,2). Порядок записи элементов очень важен, поскольку (1,2) — не та же самая пара, что (2,1). Поэтому обычно говорят об упорядоченных парах. Итак, если А — это множество, образованное числами 0 и 1, а В — числами 2,3 и 4, то А х В — это множество, состоящее из пар (0,2), (0,3), (0,4), (1,2), (1,3), (1,4). Обратим внимание на то, что А имеет мощность 2; В — мощность 3, а А х В — мощность 6. Как следствие из предыдущего примера, произведение мощности А на мощность В будет мощностью А x В (в отличие от того, что происходит в случае сложения, здесь не имеет значения, есть ли у А и В общие члены). Чему равно X0 х X0 ? Если мы возьмем множество всех натуральных чисел N (мощность которого, как мы знаем, равна X0 ), то исходя из предыдущего определения X0 ∙ X0 — мощность N x N (множество всех пар натуральных чисел). Далее будет доказано, что N х N счетное.

Доказательство

Чтобы доказать, что N х N счетное, запишем все составляющие его пары в последовательность. Начнем с единственной пары, дающей в сумме 0, потом пары, сумма которых равна 1, затем — 2 и так далее.

(0,0), (0,1), (1,0), (0,2), (1,1), (2,0), (0,3), (1,2), (2,1), (3,0),...

Эта запись позволяет нам установить взаимно однозначное соответствие между «индивидуальными» натуральными числами и парами натуральных чисел:

Это соответствие доказывает, что N х N счетное, следовательно, его мощность равна X. Итак, с одной стороны, произведение мощностей дает понять, что мощность N x N равна X0 ∙ X0 . С другой стороны, мы только что доказали: мощность N х N равна X0 . Отсюда следует, что X0 ∙ X0 = X0 .

Мы — члены Земли, но не 5, поскольку не являемся планетами Солнечной системы. С точки зрения S каждая планета — самостоятельный объект, и не имеет никакого значения, как он образован. Аналогично, множество D определенное выше, состоит из двух членов, и для него не важно, из чего, в свою очередь, состоят они.

Теперь рассмотрим множества, образованные натуральными числами. Например, множество N, состоящее из всех натуральных чисел, множество четных чисел, нечетных, простых; множество, состоящее только из числа 45; только из тех чисел, которые оканчиваются на 8; состоящее только из чисел 5,7 и 22 и многие другие, каждое из которых, как в случае с Q и I, должно приниматься как самостоятельный объект. Итак, мы можем рассмотреть множество, члены которого — это все множества, могущие быть образованными при помощи натуральных чисел — как упомянутые выше, так и все остальные возможные множества. Это новое множество обычно обозначается 'P(N) и читается как «части N», а его члены, следовательно, — это множества, а не числа. Множество всех четных чисел — член 'P(N), как и множество, состоящее из числа 2; но само число 2 — не член 'P(N), так как его члены — только множества. Здесь для теории множеств проходит тонкое, но очень важное различие: число 2 и множество, состоящее из числа 2, — не одно и то же. Чтобы подчеркнуть это различие, множество из числа 2 обычно записывается как {2}. Фигурные скобки позволяют нам графически показать разницу между 2 — числом — и {2} — множеством. Так же, например, множество, образованное числами 2 и 34, обозначается {2, 34}, а множество четных чисел — {0, 2, 4, 6, 8,...} (см. рисунок). Таким образом, множество D упомянутое выше и состоящее из множеств Q и I, будет записано как {Q и I}.

ОРДИНАЛЬНАЯ АРИФМЕТИКА

Арифметику кардинальных чисел нельзя путать с арифметикой ординальных. Кардинальные числа связаны с понятием количества, а их сумма — с идеей добавления элементов. Следовательно, как мы только что увидели, X0 + 1 = X0 , то есть X0 + 1 не больше X0 . Ординальные же числа выражают понятие «места в последовательности», и их сумма связана с идеей продвижения по этой последовательности. Так, например, ω + 1 обозначает позицию, идущую непосредственно за ω, и поэтому ω + 1 больше, чем ω. В «Обоснованиях» Кантор также писал и об ординальной арифметике, которая не рассматривается в этой книге.

Некоторые множества, образованные натуральными числами.

ОДИН И НОЛЬ

Вопрос, на который Кантор ответил в своей статье 1892 года, гласит: «Какова мощность 'P(N) ?» Для ответа нужно найти удобный способ представления множеств, образованных натуральными числами. Для определения числового множества достаточно знать, какие числа принадлежат множеству, а какие нет. Представим, что двое, Алиса и Бруно, играют в игру: Алиса загадывает множество, а Бруно должен отгадать его. Для этого он по порядку называет натуральные числа: 0, 1,2, 3, 4,...; каждый раз, когда названное число входит в загаданное множество, Алиса говорит «Да», если нет — «Нет». Если она говорит: «Нет, да, нет, да, нет, да, нет, да,...», Бруно может заключить, что речь идет о множестве нечетных чисел. Если все ее ответы — «Да», то это множество 'P(N) ; если это множество простых чисел, то ответы будут: «Нет, нет, да, да, нет, да, нет, да, нет, нет, нет, да,...». Каждое «Да» мы можем заменить числом 1, а каждое «Нет» — числом 0. Таким образом, каждое множество, состоящее из натуральных чисел, будет являться бесконечной последовательностью нуля и единицы. Если мы перезапишем ответы Алисы, то множество нечетных чисел будет представлено последовательностью 010101..., множество 'P(N) — 11111..., а множество простых чисел — 001101010001... То есть каждой бесконечной последовательности нуля и единицы соответствует некое множество, и наоборот, каждому множеству соответствует бесконечная последовательность нуля и единицы. Это взаимно однозначное соответствие подразумевает, что вопрос о мощности 'P(N) и мощности всех бесконечных последовательностей нуля и единицы — одно и то же (см. рисунок).

В статье 1892 года «Об одном элементарном вопросе учения о многообразиях» Кантор доказывает по существу две вещи. Прежде всего — что множество всех последовательностей нуля и единицы не является счетным, поэтому и 'P(N) несчетно. Для этого ученый использовал диагональный метод (см. главу 2). В действительности данный метод впервые появился именно в этой работе 1892 года. Доказательство несчетности, которое привел Кантор в 1874 году, следовало другой логике и основывалось на определении вещественных чисел.

Доказательство, что 'P(N) несчетное, основывается на алгоритме, описанном в главе 2 для вещественных чисел. Однако несчетность 'P(N) и R, даже если в ходе доказательства мы рассуждали так же, не гарантирует, что у них одинаковая мощность. Метод диагонали дает нам отрицательный результат, то есть позволяет убедиться, что ни у 'P(N), ни у R мощность не равна X0 , но не показывает, какую конкретно мощность имеет каждое из них, и не дает оснований заключить, что их мощности равны.

Взаимнооднозначное соответствие между множествами и последовательностями нуля и единицы.

В статье 1892 года Кантор доказал, что эти множества равномощные, однако это нельзя заключить на основе диагонального метода; необходимо предъявить отдельное доказательство. Итак, требуется доказать, что 'P(N) и R эквивалентны или что R эквивалентно всем бесконечным последовательностям нуля и единицы.

Для начала вспомним, что способ привычной нам записи натуральных чисел основан на десятичной системе, так как для них необходимы все 10 цифр, а также на степенях числа 10. Когда мы записываем число 235, на самом деле мы пишем 2 · 102 + 3 х 101 + 5 · 100 (напомним, что 101 = 10, а 100 = 1). Нечто похожее происходит с числами, которые не являются целыми, но в этом случае используются степени с отрицательным знаком: 10-1 равное 0,1; 10-2, равное 0,01, и так далее. 0,76 на самом деле означает 7 ∙ 101 + 6 ∙ 10-2. Интересно подчеркнуть, что числа с бесконечным количеством цифр после запятой, такие как 0,3333..., можно представить в виде бесконечных сумм.

Действительно, 0,333... = 3 ∙ 10-1 + 3 ∙ 10-2 + 3 ∙ 10-3 + 3 ∙ 10-4 + ... Хотя десятичная запись используется чаще всего, она не единственно возможная: например, числа можно записывать на основе так называемой двоичной системы. Как явствует из ее названия, в ней используются только две цифры — 0 и 1, — а основана она на степенях числа 2. Число 13 в двоичной системе будет записано как 1101, поскольку 13 = 1 ∙ 23 + 1 ∙ 22 + 0 ∙ 21 + 1 ∙ 20. Как и в предыдущем случае, этот способ записи не распространяется на целые числа. Например, в двоичной системе число 0,333... будет выглядеть как 0,01010101..., поскольку бесконечная сумма 0 ∙ 2-1 + 1 ∙ 2-2 + 1 ∙ 2-4 + 0 ∙ 2-5 + 1 ∙ 2-6 в результате даст 0,333... (записанное в десятичной системе).

Понятия теории множеств — известные и необходимые инструменты.

Жак Адамар, французский математик (1865-1963), на конференции 1897 года

Теперь докажем, что множество всех вещественных чисел с 0 по 1 на отрезке числовой прямой эквивалентно 'P(М). Необходимо получить такой результат, при котором каждому числу с 0 по 1 точно соответствует множество натуральных чисел.

Возьмем число 0,333... Как найти эквивалентное ему множество? На рисунке показано, что сначала мы должны записать его в двоичной системе. Получив выражение 0,01010101..., возьмем только его часть после запятой, в данном случае 010101..., и посмотрим, какое множество соответствует этой последовательности. Поскольку это последовательность нечетных чисел, то 0,333... соответствует ей.

Таким же образом, если у нас есть множество, образованное, например, числами 2 и 3, и мы хотим узнать, какому числу оно соответствует, сначала мы должны представить его в виде последовательности нуля и единицы. В данном случае это будет выражение 00110000..., и рассмотрим его как цифры после запятой некоего числа, записанного в двоичной системе. Это число 0,001100000..., которое в десятичной системе будет выглядеть как 0,1875. Таким образом, множеству, состоящему из чисел 2 и 3, соответствует число 0,1875.

Итак, мы видим, что 'P(N) эквивалентно множеству всех чисел между 0 и 1. Но в главе 3 отмечалось, что оно эквивалентно R (любой отрезок эквивалентен всей прямой); таким образом, мы выводим, что 'P(N) эквивалентно R. Наконец, на вопрос, какова же мощность 'P(N), в 1892 году Кантор ответил, что она равна мощности R.

Взаимно однозначное соответствие между вещественными числами (в промежутке от 0 до 1) и множествами, состоящими из вещественных чисел.

ВОЗВЕДЕНИЕ В СТЕПЕНЬ

Рассмотрим еще одну операцию из области трансфинитной математики.

Вернемся к последовательностям нуля и единицы, но теперь рассмотрим только конечные. Сколько таких последовательностей мы можем образовать, если в них должно быть только две цифры? Всего четыре последовательности: 00, 01, 10 и 11. Если цифр три, то их будет восемь: 000, 001, 010, 100, 110, 101,011, 111, а если цифр всего четыре, то 16. Если цифра одна, то последовательностей будет только две: 0 и 1.

Итак, у нас есть 21 последовательности из одной цифры, 22 последовательности из двух цифр, 23 последовательности из трех цифр и так далее. Логично было бы предположить, что мощность последовательностей из «X0 цифр» будет равна  2X0. Действительно, в «Обоснованиях» Кантор дает определение возведению мощностей в степень и основывает его на понятии, которое он назвал покрытием. Когда мы составляем бесконечную последовательность из нуля и единицы, утверждает Кантор, мы покрываем каждый элемент N нулем или единицей.

Ответить на вопрос, какова мощность множества всех бесконечных последовательностей, состоящих из 0 и 1, — значит покрыть N, используя два этих элемента. Всего способов «покрытия» чисел 0, 1 и 2 с использованием двух элементов — 23; покрытия чисел 0, 1, 2 и 3 — 24, значит, как писал Кантор, по определению, мощность всех способов покрытия N двумя элементами равна 2X0 . К тому же, поскольку множество всех последовательностей нуля и единицы эквивалентно R, мы можем заключить, что и мощность R равна 2X0 . Поэтому континуум-гипотезу можно сформулировать и как вопрос «равно ли 2X0  X1 ?».

Если бы мы покрывали N тремя элементами, то получили бы мощность 3X0; другими словами, множество всех бесконечных последовательностей 0, 1 и 2 имеет мощность 3X0. Но не стоит путаться. Сперва можно подумать, что 3X0 больше 2X0 , однако это не так. На самом деле 2X0 = 3X0. Чтобы доказать это, достаточно увидеть, что множество последовательностей нуля и единицы эквивалентно множеству последовательностей 0,1 и 2. За этим доказательством стоит идея, что поскольку последовательности нуля и единицы могут рассматриваться как числа, записанные в двоичной системе, таким же образом и последовательности 0, 1 и 2 могут быть представлены как числа, записанные в троичной системе. Таким образом, соответствие между двумя множествами устанавливается посредством изменения системы исчисления.

Исходя из определения степени мощностей, мы можем сказать, что, поскольку мощность ординальных чисел второго класса равна X1? для этих ординальных чисел существует 2X1 возможных покрытий; также, хотя и кажется очевидным, что 2X1 больше 2X0 , это еще не было доказано. Подчеркнем, что данное утверждение действительно нуждается в доказательстве. Мы не можем просто сказать, что поскольку X1 больше X0 , то и 2X1 обязательно больше 2X0 , — мы ведь уже видели, что хотя 3 и больше 2, при этом X13 не больше 2X0 . Отсюда следует: когда речь идет о бесконечности, то, что кажется само собой разумеющимся, не всегда верно. Как мы можем представить покрытие ординальных чисел второго класса? Заметим, что если дано количество X1 ординальных чисел второго класса, то каждое из его покрытий будет иметь X1 цифр, то есть по цифре на ординал.

У покрытий ординалов второго класса более сложная структура, чем у N. Чтобы определить покрытие N, достаточно просто сказать, что оно «начинается с 01 и продолжается, повторяя эти цифры». Эта фраза полностью описывает покрытие 010101..., поскольку, пользуясь этим единственным правилом, мы знаем, какой цифрой — 0 или 1 — покрывать каждое натуральное число.

Но этого определения недостаточно для полного описания покрытия ординальных чисел второго класса, так как они устроены сложнее, чем натуральные числа. Ординалы второго класса начинаются с ω, ω + 1, ω + 2, ..., после бесконечного числа этапов переходят κω + ω,ω + ω+ 1,ω + ω + 2,..., после бесконечных переходов — к ω + ω + ω... и после бесконечного числа бесконечных переходов — κω + ω + ω + ω... (ω, взятому бесконечное число раз), ω + ω + ω + ω... (ω, взятое бесконечное число раз) + 1... и так далее.

Таким образом, если мы говорим, что покрытие ординалов второго класса «начинается с 01 и состоит из повторения этих цифр», это подскажет нам, какова будет только первая часть последовательности ω, ω + 1, ω + 2,... Перейдя κω + ω, мы должны указать способ начать покрытие заново. Оно может быть снова 01 или каким-то другим. И опять, когда мы дойдем до ω + ω + ω, мы должны будем начать все сначала; потом все сначала, дойдя до ω + ω + ω + ω, и так далее.

Если мы решим начинать каждый раз с 01, то у нас получится «базовое» покрытие N 010101..., которое будет повторяться несчетное количество раз.

ОБОБЩЕННАЯ КОНТИНУУМ-ГИПОТЕЗА

Континуум-гипотеза гласит, что 2X0 = X1. Кантор не смог ни доказать, ни опровергнуть это утверждение. Обобщенная континуум-гипотеза была сформулирована Кантором в его «Обоснованиях» и расширяет предыдущую. По ней, не только 2X0 = X1 но и 2X1 = X2, 2X2 = X3, 2X3 = X4 и так далее. При жизни ученый так и не узнал, верные эти гипотезы или ложные.

ПАРАДОКС КАНТОРА

Членами множества 'P(N) являются все множества, которые можно образовать с помощью членов N. Эту идею, разумеется, можно обобщить. Если А — произвольное множество, то множество, члены которого — все множества, которые можно создать посредством элементов А, будет называться 'P(A) (читается «части А»), Как 'P(N) имеет мощность 2X0 , так же можно доказать, что 'P(N) имеет мощность, равную «2 в степени мощности A». Если бы континуум-гипотеза была верной, то мощность 'P(R) равнялась бы 2X1 .

Мы знаем, что N счетное, a 'P(N) — нет; другими словами, мощность Τ(Ν) больше, чем Ν. Это тоже можно обобщить. Согласно теореме Кантора, мощность 'P(А) всегда будет больше А. Одним из следствий теоремы Кантора является то, что для любого множества всегда будет существовать большая мощность, но только в тех случаях, когда речь идет о множествах, образованных ординальными числами. Теорема Кантора позволяет распространить это утверждение на все множества, вне зависимости от того, какова природа их членов. Возьмем универсальное множество, то есть содержащее в себе все, абсолютно все возможное. По теореме Кантора, существует множество с большей мощностью. Но может ли быть мощность, превышающая мощность множества, в котором содержится вся Вселенная? Такого большого множества не может существовать, однако теорема Кантора утверждает обратное.

Таким образом, мы оказываемся перед противоречием. В теории множеств обнаруживается еще один парадокс, известный как «парадокс Кантора». В начале XX века был открыт третий парадокс, названный именем Бертрана Рассела. Без преувеличения можно утверждать, что он вызвал настоящий кризис в математике. В следующей главе мы рассмотрим все парадоксы теории Кантора и проанализируем влияние, которое они оказали на математику.

ГЛАВА 5 Парадоксы бесконечности

В одном письме 1902 года английский логик Бертран Рассел сформулировал очень простой вопрос, спровоцировавший, тем не менее, глубокий «кризис» в математической науке. Он затянулся почти на 30 лет, а его последствия ощутимы и сегодня. Вопрос Рассела был таков: «Является ли это множество, о котором я говорю, частью самого себя?»

В 1883 году, когда Кантор написал статью «Основы общего учения о многообразиях», он уже понимал, что его теория содержит как минимум один парадокс. Но что такое парадокс? На самом деле это слово используется в литературе и разговорном языке в разных значениях, не всегда совпадающих друг с другом. В логике парадокс обнаруживается, когда в рамках одной теории можно одновременно доказать существование и несуществование какого-либо объекта или когда свойства чего-либо противоречат друг другу. Таким образом, парадокс означает, что с точки зрения логики теория несостоятельна. В этом смысле можно утверждать, что Кантор действительно обнаружил в своей теории парадокс, или логическое противоречие, а это всегда плохой признак, поскольку он означает, что в основе теории есть ошибка — лакуна, которую надо обнаружить и устранить.

Иногда же слово «парадокс» используется как синоним «удивительного» или «противоречащего ожиданиям», а никак не «логического противоречия». Например, X0 + 1 = X0 «парадоксально», поскольку мы воспринимаем только конечные количества и думаем, что при добавлении нового элемента к определенному множеству в результате их количество увеличится. С другой стороны, X0 + 1 = X0 свидетельствует о том, что в случае с бесконечностью количество останется прежним.

Хоть это и удивительно, но равенство X0 + 1 = X0 не является парадоксом в смысле логики, поскольку оно не таит в себе никакого логического противоречия. Оно просто подчеркивает, что правила, по которым существуют бесконечные количества, отличаются от конечных.

Мы будем использовать термин «парадокс» в первом значении, имея в виду логическое несоответствие какой-либо теории. Вернемся же к парадоксу, который Кантор обнаружил в 1883 году. Он заключался в том, что последовательность ординальных чисел порождается в соответствии с двумя принципами. Первый гласит, что за каждым ординалом идет непосредственно следующий; по этому принципу сразу за ω идет ординал ω + 1.

У бесконечных множеств есть некоторые любопытные свойства, которые иногда назывались парадоксальными. На самом деле они не парадоксальны, а просто немного удивительны, когда сталкиваешься с ними впервые.

Рэймонд Смаллиан, американский логик, «Сатана, Кантор и бесконечность, в также другие головоломки», 1992 год

Второй принцип утверждает, что если дана произвольная бесконечная последовательность ординальных чисел, непосредственно за ней всегда будет идти еще один ординал, который не является членом этой последовательности. Данный принцип гарантирует, что, например, за бесконечной последовательностью 0, 1,2, 3, 4,... идет новый ординал ω, а за бесконечной последовательностью ω, ω + 1, ω + 2, ω + 3,... — новый ординал ω + ω. Парадокс появляется, когда мы пытаемся применить второй принцип порождения к последовательности, образованной всеми ординалами, назовем ее С. Действительно, согласно второму принципу, если мы возьмем последовательность всех ординалов С, то сразу же за ней будет идти новый ординал, который не является частью С. Обозначим его как О (греческая буква омикрон). Поскольку С содержит все ординалы, то в нем будет и О. Но ведь его там нет. Получается, что О обладает двумя противоречащими друг другу характеристиками: он не является частью С, но одновременно является. Мы обнаружили парадокс (см. рисунок).

Чтобы решить эту проблему, Кантор ввел третий принцип порождения — третье правило, по которому второй принцип не может применяться к полной последовательности всех ординальных чисел. Другими словами, Кантор заявил, что О не существует.

Схематичное изображение парадокса ординальных чисел.

Хотя это правило действительно решает парадокс, оно не кажется удовлетворительным. Мы как бы даем пациенту обезболивающее, но не находим причину его болезни. Для того чтобы обнаружить эффективное решение, нужно узнать, какой недуг вызвал боль, то есть какая ошибка лежит в основе теории, приведшей к парадоксу.

По мнению Кантора, его глубинной причиной была необходимость сделать различие, которое он ввел в статье 1883 года, между трансфинитным и абсолютно бесконечным. Ученый писал, что к области трансфинитного относятся все бесконечные множества, которые может познать человеческий разум и которыми он может оперировать, как, например, множество вещественных чисел или ординальных чисел первого, второго или третьего классов или еще какой-либо определенный класс. В области абсолютного мы сталкиваемся с множествами, которые «слишком велики» для нашего ума; среди них находится множество, образованное всеми ординальными числами, и универсальное множество (которое включает в себя абсолютно все и о котором речь шла в предыдущей главе). По этому поводу в статье 1883 года Кантор писал так: 

«Однако существенное различие состоит в том, что я раз и навсегда закрепляю в соответствии с понятием различные градации собственно бесконечного [так Кантор называет актуальную бесконечность] при помощи числовых классов (I), (II), (III) и так далее и лишь тогда ставлю задачу не только математически исследовать отношения сверхконечных чисел, но указать и проследить их всюду, где они встречаются в природе. Что на этом пути нам, продвигаясь все дальше, не удается достичь никакой непереходимой границы, получить хотя бы только приближенное постижение абсолютного, — это не подлежит для меня никакому сомнению. Абсолютное можно лишь признать [то есть признать его существование], но никогда не познать, хотя бы приближенно». 

Абсолютное, считает Кантор, подчиняется другим правилам, нежели трансфинитное, — правилам, которые мы даже не можем сформулировать, потому что не можем их познать. Следовательно, парадокс рождается, в сущности, из-за ошибочной попытки применить к абсолюту правила трансфинитного. Третий принцип порождения ординальных чисел, состоящий в том, что определенное правило трансфинитного не применимо к определенному абсолютному множеству, таким образом, создан не специально для конкретного случая, а является следствием философии, на которой основывается теория множеств. Аналогично решение парадокса Кантора (см. предыдущую главу) заключается, по мнению самого ученого, в том, чтобы просто-напросто заявить, что к универсальному множеству, относящемуся к области абсолюта, нельзя применить теорему, которая утверждает, что за каждым множеством идет еще одно с большей мощностью (см. рисунок). Надо сказать, что в действительности в работе 1883 года замечания об абсолютном, подобные приведенному выше, чаще встречаются в примечаниях, внесенных в основной текст позже, и наличие в теории множеств противоречий было на тот момент только что открыто. Сдержанность Кантора, возможно, должна была предотвратить нападки на его теорию и была результатом трезвого расчета. Об этом свидетельствует письмо, которое Кантор написал Гильберту 15 ноября 1899 года. В нем, говоря о своей философии и о различии между трансфинитным и абсолютным, он упоминает следующее: «Философия, которую вы можете найти в «Основах», изданных в 1883 году, особенно на последних страницах, выражена довольно ясно, но частично непонятно, и это сделано намеренно».

Дедекинд, который тоже работал в то время с понятиями теории множеств, казалось, не замечал никаких парадоксов, и сам Кантор после депрессии, поразившей его в 1884 году, полностью оставил эту тему на продолжительное время. Вопрос парадоксов теории множеств канул в Лету и был «открыт вновь» в 1897 году.

Схема парадокса Кантора, по которому существует множество, большее, чем то, которое уже содержит в себе все.

КОНГРЕСС 1897 ГОДА

С 9 по 11 августа 1897 года в Цюрихе (Швейцария) проходил Первый международный конгресс математиков, в котором приняли участие более 200 ученых из 16 стран мира, в том числе Гильберт и Кантор. На этом конгрессе теория множеств получила международное признание, а многие выступления были посвящены применению понятий теории множеств — в основном в области исчисления.

Кто из нас не обрадовался бы, если бы ему удалось поднять пелену, скрывающую будущее, увидеть будущий прогресс нашей науки и тайны ее развития в последующие века?!

Давид Гильберт на Втором международном конгрессе математиков

В беседах, которые участники вели между заседаниями, постоянно проявлялся волнующий всех вопрос... об открытии парадокса в теории множеств. В марте 1897 года в бюллетене Палермитанского математического кружка итальянский логик и математик Чезаре Бурали-Форти (1861-1931) опубликовал статью под названием «Вопрос о трансфинитных числах», в которой вновь открывал парадокс об ординальных числах. В 1883 году Кантор не дал точной формулировки парадокса, и он стал известен только после знаменитой работы Бурали- Форти, посему и получил его имя. Интересно, что итальянский ученый тоже присутствовал на конгрессе и выступил с докладом, правда по геометрии.

Гильберт, большой сторонник теории множеств, был крайне обеспокоен выявлением парадокса и в 1897 году начал интенсивную переписку с Кантором. В ходе этого обсуждения Кантор вновь выразил свою убежденность в том, что всех парадоксов в теории множеств можно было избежать, проведя различие между трансфинитным и абсолютным, хотя в письмах он не использовал эти термины, а говорил о «доступном» и «недоступном» (а иногда о «существенных» и «несущественных» множествах).

По Кантору, доступные множества — это такие множества, которые мы можем назвать и свойства которых мы можем изучить; недоступные же находятся вне нашего понимания, поэтому если мы будем пытаться анализировать их, то рискуем столкнуться с противоречиями. Проблема была не во множествах самих по себе, а в конечном и ограниченном рассудке, неспособном понять определенный тип множеств. Гильберта не убеждала такая постановка вопроса, он полагал, что если мы в состоянии постичь определение множества, то должны быть в состоянии и познать все его свойства. Мысль о том, что существуют непознаваемые математические объекты, была противна философии математики Гильберта, которую можно охарактеризовать его знаменитой максимой «Мы должны знать. Мы будем знать», произнесенной на конференции в честь открытия Второго международного конгресса математиков в 1900 году. Она выражает его твердую уверенность в том, что неразрешимых математических задач не существует. Интереснейший спор в письмах между Гильбертом и Кантором трагически прервался в 1899 году, так и не завершившись решением, которое устроило бы обе стороны.

ЧЕЗАРЕ БУРАЛИ-ФОРТИ

Бурали-Форти родился в Ареццо, в Италии, 13 августа 1861 года. Он изучал математику в Пизанском университете, где в 1884 году защитил диплом.

Докторскую степень ему получить не удалось, поскольку диссертационный комитет отверг его предложение рассматривать геометрию с алгебраической точки зрения (сегодня общепринятой), а ученый не стал настаивать на своем. До 1887 года он был учителем математики в пизанской школе, а потом переехал в Турин, где преподавал в военной академии до конца своей карьеры. Отсутствие докторской степени не позволило ему работать в высших школах, однако в Туринском университете он прочитал несколько лекций, получивших высокую оценку. Там же он установил контакты, хотя и неформальные, со многими учеными. Бурали-Форти написал более 200 статей по геометрии, логике и о преподавании математики. Он умер в Турине 21 января 1831 года.

ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ

В конце 1899 года Кантор готовил третью часть своей статьи «Обоснование учения о трансфинитных множествах», которую хотел посвятить главным образом изложению своего решения парадоксов теории множеств, но 16 декабря 1899 года его работу прервала трагическая гибель младшего сына Рудольфа. Ему было всего 13 лет.

Эта ужасная потеря, от которой Кантор так никогда и не оправился, повлекла за собой серьезное душевное расстройство. А может, болезнь скрыто протекала и до этого, а трагедия сделала ее явной. В последующие годы периоды просветления сменялись депрессией. Несколько раз ученый оказывался в психиатрической лечебнице в Галле. В годы болезни Кантор вернулся к теме авторства Шекспира и Бэкона, которую он на самом деле никогда не оставлял. Об этом свидетельствует фраза в письме Гильберту 15 ноября 1899 года: «Этой зимой я дам пять уроков в Берлине и пять в Лейпциге на ту же тему [вопрос о Шекспире и Бэконе], в которой я разобрался до конца; господа филологи будут поражены».

В подтверждение того, что после 1900 года его интерес к этому вопросу стал настоящим «помешательством», можно привести случай, произошедший в 1911 году. В сентябре того года Кантор как почетный академик был приглашен в Шотландию на празднование 500-летия Сент-Эндрюсского университета. После обнаружения в 1902 году так называемого парадокса Рассела вопрос о логических противоречиях в теории множеств в математике вышел на первый план. Поэтому, когда Кантор взошел на трибуну университета, чтобы прочитать доклад, все ожидали услышать рассуждения о парадоксах бесконечности. Кантор же стал говорить о Бэконе как авторе шекспировских пьес. Тем не менее в следующем году Сент- Эндрюсский университет присудил Кантору степень почетного доктора, но ученый в тот момент был уже серьезно болен и не смог присутствовать на церемонии.

Сущность математики состоит в ее свободе.

Георг Кантор, 1883 год

Несмотря ни на что в первые годы своей болезни Кантор не оставлял занятия математикой. Он продолжал преподавать в Галле, хотя периодически подолгу отсутствовал из-за болезни (например, весь 1909 год), он выступил с лекциями о парадоксах теории множеств на собрании Немецкого математического общества в сентябре 1903 года, а также в Гейдельберге (Германия) в августе 1904 года. Однако он так и не закончил третью часть своих «Обоснований» и не опубликовал больше ни одной статьи по математике.

В 1913 году Кантор вышел на пенсию. В последние годы жизни из-за Первой мировой войны он столкнулся с нехваткой питания. Из-за войны же широкое празднование, которое его немецкие коллеги планировали устроить по случаю 70-летая ученого, вследствие экономического кризиса свелось к небольшой вечеринке в узком дружеском кругу. В июне 1917 года Кантор в последний раз оказался в психиатрической клинике в Галле, где и скончался от сердечного приступа 6 января 1918 года.

В Галльском университете установлен памятник в виде большого бронзового куба. Каждая из четырех его граней посвящена профессору, работавшему в этом учебном заведении.

Одна из них, разумеется, — дань уважения Кантору. На ней изображен рельефный портрет ученого, а справа высечена надпись: «Георг Кантор, математик, создатель теории множеств, 1845-1918». Под портретом стоит равенство с = 2X0 , где с — первая буква латинского слова «континуум» (continuo), обозначающая мощность вещественных чисел. Справа от равенства — схема доказательства счетности всех рациональных чисел. Наконец, под равенством с = 2X0 приведена фраза из статьи Кантора 1883 года: «Сущность математики состоит в ее свободе».

Но нам не нужен монумент, чтобы помнить о Канторе, потому что он ясно говорит с нами со страниц своих писем и статей.

Пока существует математика, он будет жить в своей теории бесконечности.

КОНЦЕПЦИЯ ФРЕГЕ

Что же произошло с парадоксами теории множеств? Как они были решены и были ли? В 1880-е годы Дедекинд, а позже и Кантор предложили определять натуральные числа и операции между ними на основе понятий теории множеств. Это предложение было равнозначно тому, чтобы обосновать все области математики теорией множеств. Как возможно, что исчисление остается основанным на понятиях множеств, если натуральные числа определяются исходя из этих же понятий? Это объясняется тем, что на основе натуральных чисел можно определить целые, а целые, в свою очередь, определяют рациональные, рациональные — вещественные (говоря языком теории множеств), а вещественные являются основой исчисления.

Немецкий логик и математик Готлоб Фреге (1848-1925) задумался над той же задачей: привести всю математику к понятиям теории множеств. Таким образом он соглашался с Кантором и Дедекиндом, но стиль его математической аргументации был другим. На протяжении веков образцом математических рассуждений было сочинение Евклида «Начала» — фундаментальный труд по древнегреческой геометрии, созданный в III веке до н.э. Логическая структура «Начал» опирается на аксиомы — утверждения, которые считаются верными без доказательства, а на основе аксиом посредством логических рассуждений выводятся все остальные истины, в данном случае геометрические свойства.

Евклид разделил свои аксиомы на две группы: к первой относятся постулаты, утверждения о конкретных геометрических объектах, а ко второй — так называемые «общие понятия», общие правила логики, которые можно применить к любой ситуации, не только в геометрии. Примером общего понятия является утверждение, что если два объекта равны третьему, это значит, что они равны между собой (см. рисунок).

Система аксиом Евклида относится не только к геометрическим объектам как таковым, а дает нам и более общие правила для объектов. Другими словами, система аксиом говорит не только о свойствах геометрических объектов, но и позволяет нам сделать выводы из этих свойств.

Теория множеств Кантора, на которую опирался и Дедекинд, не имела такой изящной логической структуры: в ней не было аксиом. В отличие от Евклида, Кантор не составил никакого списка фундаментальных свойств, на которых основывал свои доказательства. Он ограничивался тем, что давал определения (например, ординальных чисел), часто используя разговорный язык, и на их основе делал выводы, продиктованные ему более или менее интуитивной логикой. Для Фреге это было неприемлемо. Он считал, что теория множеств должна иметь евклидову структуру, то есть начинаться с четкого и ясного списка определений и аксиом (а также общих понятий), чтобы на их основе можно было строго вывести все утверждения теории.

Некоторые общие понятия Евклида и их перевод на язык современной математики.

Но Фреге пошел еще дальше: он сожалел, что в математике вообще, а не только в теории множеств, использовался разговорный язык и что в ней часто взывали к «практическому разуму», что он называл «психологизмом». Он считал, что у математики должен быть свой особый язык со специально созданными для него символами и правила логической дедукции (по которым, исходя из определенных посылок, мы можем прийти к неким выводам) должны выражаться с максимальной точностью, используя этот язык.

Как мы сказали, эта обеспокоенность Фреге «психологизмом» относилась к математике вообще, а не только к теории множеств, его первые предложения по созданию математического языка были сделаны еще до нее. Тем не менее, когда во второй половине 1880-х годов одновременно с Дедекиндом Фреге задумал обосновать всю математику теорией множеств, он сконцентрировался на применении созданного им языка именно к этой теории. Ученый посвятил годы разработке символов и правил четкого языка и впервые рассказал о нем в своей книге Begriffsschrift («Исчисление понятий») 1878 года. Язык Фреге отличается от привычного нам со всех точек зрения, в записи он больше похож на линейный рисунок, чем на текст. Возможно, так было задумано специально, чтобы как можно больше отдалить математический язык от разговорного. Тем не менее это имело негативное последствие, так как предложенную систему было чрезвычайно трудно понять, и сочинение Фреге не получило такого распространения у заинтересованной публики, какое могло бы.

ПАРАДОКС РАССЕЛА

В 1902 году Фреге только что отправил в печать второй том своих «Основ арифметики» (в этой работе он развивал идею основания математики на теории множеств), когда получил письмо от английского логика Бертрана Рассела (1872-1970). Оно было отправлено 16 июня 1902 года из Фрайдей Хилла (Хаслмир, Великобритания) и занимало чуть меньше страницы. Рассел писал, что прочитал первый том «Основ», хвалил его и заявлял, что полностью разделяет задумку Фреге. «И тем не менее, — добавлял Рассел, — я нашел небольшое осложнение».

В чем же оно состояло? Одна из аксиом, которую Фреге подводил под теорию множеств, заключалась в так называемом принципе выделения. Другими словами, согласно ей, каждому свойству соответствует множество, состоящее из всех объектов, которые обладают этим свойством. Например, свойство «быть книгой по математике» соответствует множеству, образованному всеми книгами по математике; свойству «быть рациональным числом» соответствует множество всех рациональных чисел и так далее. В письме Фреге Рассел сформулировал следующий вопрос: что произойдет, если мы рассмотрим свойство «быть множеством, которое не является членом самого себя?»

По аксиоме Фреге, говорит Рассел, этому свойству соответствует множество — назовем его F, — образованное всеми множествами, которые соблюдают параметр не быть членами самих себя. Таким образом, вопрос звучит так: «F — член самого себя?»

Если да, то, как и все члены, оно обладало бы свойством, определяющим множество, но F не должно быть членом самого себя. Мы приходим к противоречию, так как исходим из одного предположения, а получаем противоположный вывод. Таким образом, эта предпосылка не может быть верной. Тогда F не является членом самого себя.

Но в этом случае оно не соответствует свойству, определяющему F, так как должно быть членом самого себя. Мы сталкиваемся с еще одним противоречием (см. рисунок).

Резюмируем: F не может быть членом самого себя, но не может и не быть им. Это невозможно с точки зрения логики. Множество Fy существование которого гарантирует принцип выделения, не может существовать, потому что это порождает логическое противоречие. Принцип выделения, казавшийся таким невинным, ведет к парадоксу. Сегодня парадокс множеств, которые не являются членами самих себя, известен как парадокс Рассела.

КРИЗИС ОСНОВАНИЙ

Парадоксы Бурали-Форти и Кантора, конечно, вызвали обеспокоенность в научном сообществе, но это не было неподконтрольным волнением.

Действительно, проблема парадоксов требовала решения, но оба они относились к таким объектам, как множество всех ординальных чисел и универсальное множество, которые никогда не фигурировали в какой-либо другой области математики, использующей понятия теории множеств. С другой стороны, помимо предложенного Кантором решения, многие другие ученые полагали, что чтобы устранить парадоксы, достаточно внести в теорию множеств технические поправки, например в определение. В общем, хотя все и признавали наличие проблемы, казалось, что она касается очень ограниченной области теории множеств и, разумеется, имеет решение.

Схема парадокса Рассела. Стрелки указывают порядок логических выводов.

Парадокс Рассела, напротив, вызвал гораздо более глубокий кризис, так как аксиому, утверждающую, что каждому свойству соответствует множество, использовали на протяжении нескольких лет все ученые, применявшие понятия теории множеств. Доказав, что эта аксиома противоречива, Рассел не только обрушил всю систему Фреге, но и заставил усомниться во всех достижениях, основанных на теории множеств. В частности, была поставлена под вопрос верность исчисления. Более того, принцип выделения в действительности кажется очевидным, а если такое невинное на первый взгляд утверждение оказывается настолько противоречивым, какие опасности таятся в других аксиомах или предположениях, которые так или иначе математики доверчиво использовали в своих утверждениях?

ГОТЛОБ ФРЕГЕ

Фридрих Людвиг Готлоб Фреге родился в Висмаре (Германия) 8 ноября 1848 года. В 1869 году он поступил на математический факультет Йенского университета, также в Германии, но в 1871 году перевелся в Геттинген, где кроме математики изучал физику, химию и философию. В 1872 году удостоился докторской степени, предложив новый логически точный геометрический язык. В 1902 году Фреге получил письмо от Рассела, в котором говорилось о парадоксе множеств, не являющихся членами самих себя, и впал в глубокое уныние. Он попытался перестроить всю систему и для этого изменил аксиому, порождавшую парадокс, но тогда она породила еще несколько — Фреге понадобился не один год, чтобы заметить их. Большая часть его работ по логике и философии на момент его смерти были еще не опубликованы. Фреге завещал их своему приемному сыну Альфреду с такими словами:

«Не пренебрегай моими рукописями. Если не все в них золото, то золото там все же есть. Думаю, придет время, и многое в них будет оценено гораздо выше, чем теперь. Смотри, чтобы ничто из них не потерялось. В них я оставляю тебе значительную часть самого себя».

Фреге умер в Бад-Клайнене (Германия) 26 июля 1925 года.

Что на этом пути нам, продвигающимся все дальше, не удается достичь никакой непереходимой границы, получить хотя бы только приближенное постижение абсолютного — это не подлежит для меня никакому сомнению.

Георг Кантор, 1883 год

Кризис, вызванный парадоксом Рассела, вышел за границы теории множеств: ученые поставили под вопрос все свои рассуждения и даже стали спрашивать себя, что же на самом деле изучает математика. Этот глубокий кризис известен сегодня под названием «кризиса оснований». Он вызвал множество споров, иногда очень горячих, продлившихся почти 30 лет.

РЕШЕНИЕ

В начале XX века многие математики были уверены, что для решения проблемы парадоксов теории множеств достаточно добиться верной формулировки ее аксиом. Первый шаг в этом направлении сделал немецкий математик Эрнст Цермело (1871-1953). В 1919 году немецкий математик Абрахам Френкель (1891-1965) усовершенствовал систему аксиом Цермело, добавив к ней неучтенные прежде необходимые аксиомы. Сегодня она называется системой Цермело — Френкеля, а в специальной литературе по теории множеств обозначается аббревиатурой ZF. Эти аксиомы составляют стандартные формулировки теории множеств и позволяют решить все известные парадоксы. Слово «известные» было добавлено чешским математиком Куртом Гёделем (1906-1978), который доказал, что не существует безошибочного способа гарантировать, что система аксиом не содержит парадоксов. Таким образом, хотя в глубине души математики убеждены, что ZF не приведет к логическим противоречиям (и действительно, с 1919 года они не были выявлены), не существует математически точного доказательства того, что они никогда не возникнут.

Каждая сторона этого памятника в Галльском университете посвящена профессору, работавшему здесь. Сторона слева — Виктору Клемпереру (1881-1960), профессору философии, сторона справа — Кантору.

Сторона памятника, посвященная Кантору. Под изображением ученого высечено равенство x = X02 . а внизу — фраза из его работы 1883 года: «Сущность математики состоит в ее свободе».

Перечислим аксиомы Цермело — Френкеля.

1. Два множества равны, если в них одинаковое количество членов.

2. Существует пустое множество.

3. Если даны х и y, всегда существует пара, состоящая из них обоих.

4. Объединение двух или больше множеств также является множеством.

5. Существует по крайней мере одно бесконечное множество.

6. Только свойства, которые можно выразить исходя из остальных аксиом, могут быть использованы для определения множества.

7. Если дано произвольное множество, всегда существует множество, образованное его частями (см. главу 5).

8. Если дана семья — конечная или бесконечная — непустых множеств (то есть каждое из них содержит как минимум один член), всегда существует множество, которое содержит по члену из каждого множества этой семьи (см. рисунок на следующей странице).

9. Ни одно множество не является членом самого себя.

Аксиома 9 подразумевает, что универсального множества не существует, потому что оно содержало бы само себя, а аксиома это запрещает. Действительно, если записать аксиомы подходящим символическим языком, то можно доказать, что, исходя из аксиомы 6, универсальное множество даже не может быть определено. Парадокс Кантора возникает, когда речь заходит именно о мощности универсального множества. Но если его не существует, то нет и парадокса.

Парадокс Рассела связан с множеством F, образованным всеми множествами, которые не являются членами самих себя. Но аксиома 9 гласит, что все множества соблюдают условие, определяющее F; следовательно, F будет множеством всех множеств. Но поскольку оно и само является множеством, по аксиоме 9, то не может существовать (на самом деле, как и в случае с универсальным множеством, можно доказать, что даже нельзя определить теоретически). А раз оно не существует, то не будет и парадокса Рассела.

Парадокс Бурали-Форти решается аналогичным способом — через доказательство того, что множества всех ординальных чисел не существует.

Схема, объясняющая аксиому выбора. От каждого множества выбирается по члену и из них формируется новое множество.

РЕШЕНИЕ КОНТИНУУМ-ГИПОТЕЗЫ

Несмотря на успех ZF, в XX веке были предложены и другие системы аксиом для теории множеств. Обычно они обозначаются инициалами ученого, который сформулировал их первым. Так, существует система NBG (Джона фон Неймана, Пола Бернайса и Курта Гёделя) и система МК (Роберта Ли Морза и Джона Лероя Келли). Эти системы не равнозначны. Это не просто разные формулировки одной и той же идеи — различия лежат в самих их основаниях. В частности, не все системы предлагают одно и то же решение парадоксов. Самой популярной система ZF стала отчасти потому, что она же и самая простая, но и у других есть свои сторонники. Прочие системы сводятся к тому, что множеств, которые Кантор называл «недоступными», не существует, как в ZF, либо, как в NBG и МК, существование «недоступных» множеств допускается, но провозглашается, что они подчиняются правилам, отличным от других множеств.

Таким образом, современная теория множеств возвращается к идее Кантора о том, что решение парадоксов должно опираться на различие между «доступными» и «недоступными» множествами. Но значит ли все это, что существует несколько разных теорий множеств? И существуют ли недоступные множества? На эти вопросы пока нет ответов, которые бы удовлетворили всех математиков. Обобщая, можно выделить два подхода к их решению: платонизм и формализм.

Платонизм — это течение, согласно которому математические объекты действительно существуют вне зависимости от человеческого разума, и сущность работы математиков состоит в том, чтобы открыть характеристики этих объектов. Согласно данному подходу, есть одна верная теория множеств. Тот факт, что на сегодняшний день существует несколько систем аксиом, говорит о том, что математики пока не смогли определить, какая из них является верной. Платоники считают, что как только будет определена настоящая теория множеств, то, что она будет говорить о недоступных множествах, и станет правдой.

Формалисты, напротив, полагают, что математика — плод человеческой мысли и во многом похожа на музыку или литературу. Согласно этой точке зрения, математика, в сущности,— это «языковая игра», в которой есть твердые основы, аксиомы и такие же четкие логические правила, позволяющие, опираясь на них, приходить к неким выводам. Работа математика состоит в том, чтобы понять, куда нас ведут правила игры. Она не отличается от того, что делает шахматист, когда ищет удачный ход, находясь на определенной клетке доски.

В рамках формализма вопрос о существовании «недоступных» множеств лишен смысла: по правилам одних систем они существуют, по правилам других — нет; это все, что можно сказать по данной теме. В обоих подходах есть свои нюансы, сильные и слабые стороны, и оба используются сегодня математиками. Спор между платонистами и формалистами — следствие кризиса оснований. Кантор не дожил до него, но если бы он знал об этой дискуссии, чью сторону принял бы? Он полагал, что математики абсолютно свободны в определении понятий и в расстановке приоритетов — с одним лишь условием: в результате не возникает логических противоречий. Такой подход приближал его к формализму. Однако в то же время в некоторых работах он как будто отстаивал мнение о том, что понятия, определенные математиками, имеют собственное объективное существование в разуме Бога. Это сближает его с платонизмом.

Противостояние платонизма и формализма также связано с решением проблемы континуум-гипотезы. Напомним, что она была сформулирована Кантором и утверждает, что 2X0 = X1.

В 1940 году Курт Гедель доказал, что в рамках любой из обычно используемых систем аксиом для теории множеств невозможно доказать ложность этого равенства. А в 1963 году американский математик Пол Коэн (1934-2007) доказал, в свою очередь, что невозможно доказать и то, что оно верное. Таким образом, континуум-гипотеза не может быть ни доказана, ни опровергнута ни одной из использующихся сейчас систем аксиом. Так верная она или ложная? Для формалистов этот вопрос не имеет смысла: аксиомы — всего лишь правила игры, установленные произвольно, они не описывают никакую внешнюю «истину».

Согласно этой точке зрения, к любой теории множеств можно добавить новую аксиому, которая позволит или подтвердить, или опровергнуть континуум-гипотезу. Платоники же считают, что вне зависимости от наших аксиом равенство 2X0 = X1 является либо объективно верным, либо ложным, и рано или поздно будет найдена такая система аксиом, которая решит этот вопрос однозначно. Таким образом, в рамках формализма этот вопрос закрыт, в рамках платонизма — остается открытым.

СОВРЕМЕННАЯ МАТЕМАТИКА

В 1935 году впервые собрался Николя Бурбаки. Эта фраза кажется странной, но в действительности Николя Бурбаки — не человек, а коллективный псевдоним, который взяла себе группа преимущественно французских математиков. Целью первой встречи группы было установление способов достижения назначенной цели (над которыми Бурбаки работает и сейчас, хотя члены группы, разумеется, сменились).

Как мы увидели, аксиомы Цермело — Френкеля (речь только об этих конкретных аксиомах, потому что они чаще всего используются) позволили наконец решить проблему парадоксов теории множеств, расчистив путь для программы Фреге по обоснованию математики на понятиях множеств. Его попытался возобновить Рассел, но безуспешно. Целью Бурбаки было завершить проект Фреге. Для этого на первом собрании в 1935 году математики договорились написать серию томов под названием «Начала математики», каждый из которых был бы посвящен отдельной области этой науки. В каждой книге разбираемые понятия рассмотрены с максимально возможной логической строгостью, чтобы создать устойчивую базу для дальнейшего развития. Так или иначе, основой этих определений была теория множеств.

На сегодняшний день из-под пера Бурбаки вышло более дюжины томов. Несмотря на критику слишком сухого стиля, они имели и продолжают иметь огромное влияние на установление логических основ современной математики. С другой стороны, хотя сочинения Бурбаки должны были стать базой для работы других ученых — исследователей, которые создают и открывают новые понятия и теоремы, — их влияние распространилось и на преподавание математики, особенно во второй половине XX века, посредством так называемой «современной математики».

НИКОЛЯ БУРБАКИ

Согласно вымышленной биографии, Николя Бурбаки был генералом французской армии греческого происхождения. Уйдя в отставку, он якобы посвятил себя изучению математики и жил в несуществующем городе Нанкаго: скорее всего, это название является комбинацией городов Нанси во Франции и Чикаго в США, так как некоторые создатели Бурбаки были тесно связаны с тамошними университетами. «Николя Бурбаки» — это коллективный псевдоним, который избрала себе в середине 1930-х годов группа математиков, в основном французских.

Считается, что они выбрали его отчасти в шутку, отчасти чтобы не подписывать длинным списком фамилий работы, сделанные несколькими учеными.

Несмотря на то что почти все члены группы стремились сохранить в тайне свою принадлежность к ней, сейчас нам известно, что под псевдонимом Бурбаки скрывались от 10 до 20 участников, а среди создателей группы были такие известные французские математики, как Андре Вейль (1906-1998), Жан Дьедонне (1906-1992) и Клод Шевалле (1909-1984).

Портрет вымышленного генерала Николя Бурбаки.

В то время в рамках этого направления было предложено преподавать все математические понятия исходя из идей теории множеств, даже в начальной школе (что вызвало прямо противоположные мнения). Однако это педагогическое течение утратило почти весь свой авторитет и полностью заброшено.

И тем не менее теория множеств жива и прекрасно себя чувствует. Как и задумывали Кантор, Дедекинд и Фреге и благодаря работе Бурбаки, сегодня она стала основой всей математики.

Список рекомендуемой литературы

Bell, Е.Т., Los grandes matemdticos, Buenos Aires, Losada, 2010.

Boyer, C., Historia de la matemdtica, Madrid, Alianza, 1996.

Bunch, B.H., Matemdtica insolita (Paradojas у paralogismos), Mexico, Reverte, 1997.

Cantor, G., Fundamentes para una teoria general de conjuntos (Escritos у correspondencia selecta), edicion de Jose Ferreiros; Barcelona, Critica, 2006.

Hawking, S. (compilador у comentarista), Dios creo los ndmeros (Los descubrimientos matemdticos que cambiaron la historia), Barcelona, Critica, 2010.

Kasner, E., Newman, J., Matemdticos e imagination, Barcelona, Salvat, 1994.

Lavine, S., Comprendiendo el infinite, Mexico, Fondo de Cultura Economica, 2005.

Martinön, A. (compilador), Las matemdticos del siglo xx (Una mirada en 101 articulos), Madrid, Nivola, 2000.

Odifreddi, P., La matemdtica del siglo xx, Madrid, Katz Barpal Editores, 2006.

Smullyan, R., Satan, Cantor у el infinito, Barcelona, Gedisa, 1995.

Stewart, I., Historia de las matemdticos, Barcelona, Critica, 2008.

Указатель

Acta Mathematica 94-96, 114

ZF 154, 158

аксиомы Цермело — Френкеля 154, 156, 160

алеф 122, 123

Аристотель 8-10, 24-28, 31, 33, 38, 54, 79, 86

арифметика

ординальная 128

трансфинитная 123-126

Архимед 77

бесконечность

актуальная 9-11, 20, 23-28, 36, 38-40, 42, 56, 68, 72- 73, 90, 91, 102, 106, 142

потенциальная 9, 10, 20, 23-26, 36, 42, 69, 72, 98, 99, 102, 105, 106

Больцано, Бернард 10, 92

Борель, Эмиль 116, 117

Борхес, Хорхе Луис 31, 122

Бурали-Форти, Чезаре 144, 145, 152

Бурбаки, Николя 160-162

Вейерштрасс, Карл Теодор Вильгельм 13, 19, 37, 37, 43, 47, 54, 55, 69, 82-83

взаимно однозначное соответствие 38-40, 41, 45-48, 51, 54, 60, 62, 65-69, 127, 129-132

Галилей, Галилео 10, 27, 28-31, 37-39, 54

Гейне, Генрих Эдуард 36, 93, 95, 99, 100, 103, 104

Гедель, Курт 154, 158, 159

Гильберт, Давид 44, 102, 115, 116, 118, 143-145

отель Гильберта 44

Гутман, Валл и 13, 37

Дедекинд, Рихард 13, 17, 18, 26, 37, 40, 43, 47, 59-61, 69, 78, 82, 84, 89-94, 106, 118, 119, 123, 143, 148, 150, 162

дедекиндово сечение 92

пересечения 119

диагональный метод 13, 48-51, 54, 130

Евклид 148, 149

единственность 99, 100, 102— 104

исчисление 17, 35, 57, 70, 78, 82-86, 96, 101, 105, 116, 118, 134, 144, 148

Кавальєри, Бонавентура 77

квадратура круга 52, 54

Конгресс математиков международный

в Гейдельберге (1904) 147

в Париже (1900) 116

в Цюрихе (1897) 143

континуум 100, 147

гипотеза 67-69, 108, 116, 122, 135, 158

проблема 91, 100

Коэн, Пол 159

Крелле журнал 37, 69, 70, 72, 75

Кронекер, Леопольд 13, 19, 20, 70-73, 75, 85, 94, 121

Лебег, Анри 116, 117

Лейбниц, Готфрид Вильгельм фон 12, 17, 77-81, 98, 99

Линдеманн, Карл Луис Фердинанд фон 54, 72

Лиувилль, Жозеф 53, 72, 85

Миттаг-Леффлер, Геста 98-100

множество 13, 37, 38, 42, 44, 54, 60, 62, 66-71, 75, 91, 93-95, 98, 106-108, 110-112, 114, 115, 123, 124, 139, 159- 160

абсолютное 142

бесконечное 33, 67, 72, 73, 86, 95, 156

доступное 144

конечное 11, 111, 124

недоступное 144, 158

несчетное 89, 112, 130

ординальных чисел 124, 152

производное 105, 106

пустое 107, 119, 129, 130, 156

своих частей 156

счетное 85, 95, 111, 112, 122, 124, 136

теория множеств 17, 77, 93, 95, 98, 107, 124, 126, 128, 142, 143, 158-160, 162

трансфинитное 13, 122, 146

троичное 133

универсальное 142, 143, 152, 156, 157

эквивалентное 38, 40, 44, 47, 48, 51, 52, 60, 63, 64, 67, 69, 71, 89, 124, 125, 130, 131-133

Нейман, Джон фон 158

Ньютон, Исаак 17, 77, 80, 81

омега прописная (Ω) 123

омега строчная (ω), 12, 124

ординальные числа И, 12, 91, 122, 128, 134, 136, 140-142, 149, 152

второго класса 122-125, 134, 135, 141

первого класса 122-125, 141

третьего класса 122-125, 141

парадокс 9, 10, 26, 30, 40, 80,

89, 96, 102, 103, 115, 141- 146, 148, 151, 154, 158, 160

Аристотеля 86

Бурали-Форти 152, 157

Галилея 39

Зенона 8

Кантора 135, 136, 152, 157

ординальных чисел 141, 144

Рассела 15590, 152, 154, 157

платонизм 158-167

последовательность 47, 51, 53, 69, 72, 84, 89, 105, 106, 107, 119, 123, 127, 140

фундаментальная 87, 88, 89

Пуанкаре, Анри 69, 116, 117

разложение на тригонометрические ряды 103, 105, 108

Рассел, Бертран 61, 94, 137, 150-154, 160

Риман, Георг Фридрих Бернхард 78, 104

Святой Августин 27

теорема Кантора 143

теория МК 158

NBG 158

теория множеств (см. также Множество)

тригонометрические ряды 87, 90, 99, 100, 103, 104, 105, 107, 108

формализм 158-159

Фреге, Готлоб 148-152, 153, 160

Френкель, Абрахам 154, 156, 160

Фурье, ряды {см. также Тригонометрические ряды) 100, 103-105, 108

Фурье, Жозеф 103

Цермело, Эрнст 154, 156, 160

число

алгебраическое 13, 37, 51—55, 57, 67, 75

вещественное 13, 48-51, 54, 55, 59, 60, 62-64, 66- 69, 71, 82-86, 96, 106, 105-109, 116, 118-119, 122, 123, 130-132, 147, 148

иррациональное 35, 48, 52, 81, 89, 106, 116, 126

квадратное 30, 37-40

рациональное 40-42, 44-49, 52-55, 67, 72, 85, 89, 94, 106, 107, 118, 119, 126, 147, 148, 151

трансфинитное 141

трансцендентное 52-55, 67-72

целое 41, 42, 44-46, 48, 49, 52, 53, 55, 56, 67, 68, 73, 75, 94, 95

Георг Кантор первым среди ученых начал с математической точностью исследовать бесконечность, представлявшую философский интерес. Его новаторский подход к математике воплотился в теории множеств, он сформулировал противоречащие интуиции понятия разных видов бесконечного. До работ, которые были изданы ученым в конце XIX века и стали фундаментальным вкладом в науку, бесконечность, следуя восходившей к Аристотелю научной традиции, понималась как полезная условность. Смелость Кантора стоила ему дорого: его идеи были жестко отвергнуты многими современниками, что, вероятно, послужило причиной его душевной болезни и преждевременной кончины.

Оглавление

Gustavo Ernesto Pineiro Наука. Величайшие теории: выпуск 30: Бесчисленное поддается подсчету. Кантор. Бесконечность в математике.

Введение

ГЛАВА 1 Где начинается бесконечность

ГЛАВА 2 Кардинальные числа

ГЛАВА З Исчисление и бесконечность

ГЛАВА 4 Бесконечные ординальные числа

ГЛАВА 5 Алефы

ГЛАВА 5 Парадоксы бесконечности

Список рекомендуемой литературы

Указатель Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg