数学里的宇宙(三)——排队的序数宇宙

 

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上过大学的同学,大概都参加过军训。每天出操整队,持续数周的时间。军训列队的时候,都会做一件事——报数。一列人员从数字1开始,依次递增的报出一个自然数,一直到队伍的末尾。而队伍的指挥官会默默的记下最后一个报出的数字。

 

今天我们说的宇宙就从这报数说起。每一位队员都被自己报出的数字标志了在队伍里的顺序,最后的一个报出的数字n,既表示最后一位队员是第几个,也能表示这个队伍有多少人。在一个有限长度的队伍里,在判定队伍长短的时候,我们可以不必纠结这两个意思的差别,但如果我们打开脑洞,考虑无限长的一列队伍就会有不同。

 

比如,队长小明面对一个无限长的队伍0、1、2、……,这个时候,他走进队伍会形成一个新的队伍。一个办法是站在队伍前面,变成——小明、0、1、2、……;另一个办法只站在队伍末尾,变成0、1、2、……、小明。两个的排序方式是不同的,因为后者有末尾的一个,而前者没有。然而两个队伍的人数都是一样的。在数学中,如果关注末尾的那个“数字”的顺序的性质,我们叫做“序数”,如果关注队伍中人数的绝对的多少,我们叫做“基数”。

 

其实,之前讲冯·诺依曼宇宙哥德尔宇宙的时候,我们已经提到“序数”这个东西了。只是没解释过它到底是什么。按照数学的逻辑顺序,应该先有这个东西,才会有前面两篇文章中的操作。

 

队列训练中,我们还经常干一件事。比如教官会喊:“双数,向前一步走!”。然后所以报偶数的队员会形成一个新的子队列,或者用其他规则,取队列中的一部分形成其他的子队列。但无论怎么样去抽出子队列,我们都能在子队列中找出一个排位最靠前的一个人。在数学里,如果所有的子队列里,都能找到一个最前面的,这个队列叫做“良序”的。

 

我们很容易看出,之前小明的两种站队方法都是良序的。数学里还规定第二个队列比第一个队列长,因为第一个队列的排序和第二个队列前面部分一模一样。

 

如果我们把所有这样“良序”的排序办法聚集起来,他会形成一堆庞大的东西,同样大到不能是一个集合。因为如果是一个集合,那么这个集合也是良序的,而且是最大的良序集合。于是我在这个集合里强行加入一个更大的Max符号,于是形成了比最大还要大的排序办法。这是一个矛盾。

 

这个矛盾在公理化集合论成熟之前,就已经被集合论之父康托发现了。所以又叫康托悖论。这个悖论比罗素悖论的发现更早,也足以引发对集合论为基础的数学的“第三次数学危机”。但是,这个悖论的表述,在当年的数学圈里,还是算生僻的,所以关注的人不多,也没引发太多的波澜,直到罗素悖论的出现——毕竟,罗素悖论是不需要太多数学基础的人都能看懂的。

 

好吧,今天有到时间了。下一次,我们纠结本文前面提到的队伍数量——“基数”宇宙。

 

 

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