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07 向无穷和更远出发(第4页)

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会推出“否”

,而“否”

会得出“是”

,这迫使罗素得出结论,这样的集合不可能存在。

19世纪90年代,康托尔自己就从“所有集合组成的集合”

这个思想中发现了一个隐含的矛盾。

的确,罗素承认他的悖论受到康托尔工作的启发。

无论如何,我们从所有这些讨论中总结出的经验是:不能简单地想象数学集合可以随意引入,对于如何描述集合需要设置一些限制条件。

从那以后,集合论学家和逻辑学家一直在为这些悖论造成的后果绞尽脑汁。

这些困难最令人满意的解决方案,是现在已经成为标准的ZFC集合论(包含选择公理的策梅罗-弗兰克尔集合理论[3])。

显微镜下的数轴

图10数轴上任意给定的不同位置都被有理数分隔开

回到给定的数a和b。

再一次,令c为它们的平均值。

如果c是无理数,我们就得到了要求的数(无理数)。

如果c是有理数,设d=c+t,这里t是上一段我们说到的无理数。

根据之前的结论,d也是无理数。

如果我们让t里面的n足够大,总可以保证d足够接近两个给定数a和b的平均值c,从而也位于它们之间。

这样,我们看到无理数同样组成了一个稠密集(de)。

就像有理数,我们也可以推知数轴上任意两个数之间有无穷多无理数。

因此,有理数集和它的补集——无理数集,在一方面是类似的(它们在数轴上都是稠密的),在另一方面却又不同(前者是可数的,后者则不是)。

康托尔三分集

现在,对于有理数和无理数如何织就整个实数轴,我们已经有了更清晰的认识。

有理数组成了一个可数集合,但同时也稠密地填充在数轴上。

与之相反,康托尔三分集(iddlethirdset)是单位区间的一个不可数子集,却是稀疏分布的。

它是如下文的构造的产物。

图11康托尔三分集第一到四层的形成过程

接下来我们将会有一个令人惊喜的发现。

取C中任意数c的三进制形式,将每个2都替换成1,我们就得到了单位区间中某个数的二进制展开式。

这在C和I的所有数(写成二进制形式)之间建立了一一对应关系。

由此可知,C的势与I相等。

由于后者是一个不可数集(由康托尔对角线论证可得),因此康托尔三分集不仅是无穷的,还是不可数的。

于是我们就有了一个集合C,从某个意义上讲它的大小可以忽略(测度为0),但是用另一种方式估计,C又是巨大的,因为它与I——因而与整段实数轴——等势。

另外,与稠密集相去甚远,owheredense)的。

回忆一下,当我们说一个像有理数这样的集合是稠密的,我们指的是当我们取一个数a时,在a附近的一个小区间里总能找到有理数,不管这个区间有多小,我们都能做得到。

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