Бесчисленное поддается подсчету. Кантор. Бесконечность в математике.

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 a_nxn + a_n-X1n-1 + ... + a_X1 + a₀ = 0, где a_n, a_n-1,... ,a₀ — целые числа, а a_n ≠ 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.