Иэн Стюарт - Значимые фигуры. Жизнь и открытия великих математиков

В 1891 г. он нашел более простое доказательство – знаменитый диагональный метод. Предположим (чтобы затем прийти к противоречию), что действительные числа (для простоты – между 0 и 1) счетны. Тогда можно поставить им во взаимнооднозначное соответствие счетные, то есть натуральные, числа. В десятичной нотации любое соответствие такого рода принимает вид

1 0, a 1 a 2 a 3 a 4…

2 0, b 1 b 2 b 3 b 4…

3 0, c 1 c 2 c 3 c 4…

4 0, d 1 d 2 d 3 d 4…

… …

Согласно нашему предположению, любое действительное число найдется где-то в этом списке. А теперь мы построим такое число, которого в этом списке нет. Определим последовательные десятичные знаки, x 1, x 2, x 3… действительного числа x следующим образом:

Если a 1= 0, пусть x 1= 1, в противном случае пусть x 1= 0.

Если b 2= 0, пусть x 2= 1, в противном случае пусть x 2= 0.

Если c 3= 0, пусть x 3= 1, в противном случае пусть x 3= 0.

Если d 4= 0, пусть x 4= 1, в противном случае пусть x 4= 0.

Будем продолжать этот процесс до бесконечности, приравнивая x n либо к 0, либо к 1, так что x n всегда отличается от n -го десятичного знака действительного числа, соответствующего n .

По построению x отличается от любого числа в нашем списке. От первого числа оно отличается в первом знаке, от второго – во втором; в общем, это число отличается от n -го числа в n -м десятичном знаке, а значит, отличается от n -го числа, каким бы оно ни было. Однако мы предполагали, что список существует и что любое действительное число в нем имеется. Это противоречие; получается, что такого списка не существует, следовательно, множество действительных чисел несчетно.

Аналогично строится и другое открытие Кантора, в которое он сам поверил с трудом: что плоскость имеет ту же мощность, что и действительная прямая. Точка на плоскости имеет координаты ( x, y ), где x и y – действительные числа. Ограничимся, для простоты, единичным квадратом; тогда x и y в десятичной записи выглядят так:

x = 0, x 1 x 2 x 3 x 4…

y = 0, y 1 y 2 y 3 y 4…

Поставим этой паре в соответствие точку на прямой, в координатах которой десятичные знаки x и y стоят попеременно, вот так:

0, x 1 y 1 x 2 y 2 x 3 y 3…

Поскольку мы можем, глядя на это число, восстановить x и y , отобрав только последовательные цифры на четных или нечетных позициях, такой метод позволяет нам получить взаимно однозначное соответствие между единичным квадратом и единичным отрезком действительной прямой. Несложно расширить этот вывод на всю плоскость и всю числовую прямую. (Необходимо позаботиться о некоторых формальностях, которые я опустил, чтобы разобраться с неоднозначностью десятичного представления числа.)

Был один вопрос, который Кантор никак не мог разрешить ни так, ни этак. Существует ли трансфинитное множество, мощность которого лежала бы строго между ℵ 0и мощностью множества действительных чисел? Кантор считал, что нет; он не смог отыскать такое множество, хотя пробовал на эту роль немало правдоподобных кандидатов. Это предположение получило известность как гипотеза о континууме, или континуум-гипотеза. За дальнейшим ее развитием мы проследим в главе 22.

На протяжении десяти лет после 1874 г. Кантор все свои усилия сосредоточил на теории множеств; он открыл значение взаимно однозначных соответствий в основании числовой системы и расширил принципы счета на трансфинитные числа. Его работа была настолько оригинальна, что многие современники Кантора были не в состоянии принять ее или поверить в ее значимость. Его математическую карьеру подпортил Кронекер, которому революционные идеи Кантора показались негодными с философской точки зрения. «Целые числа создал Господь Бог, все остальное – дело рук человеческих», – говорил Кронекер.

Кантор, можно сказать, подставился в философском плане, когда недвусмысленно заявил, что теория множеств имеет дело с актуальной бесконечностью, а не с потенциальной бесконечностью Аристотеля. Это некоторое преувеличение, поскольку актуальна эта бесконечность только в концептуальном смысле. В математике, как правило, можно перейти от описания, в котором речь идет, казалось бы, об актуальной бесконечности, к другому описанию, в котором бесконечность уже выглядит чисто потенциальной. Однако переход этот часто кажется надуманным: Кантор был прав, когда говорил, что естественный способ думать о его работе – это рассматривать бесконечность как единое целое, а не как процесс, который хотя и конечен на любом этапе, может продолжаться бесконечно. Непримиримым противником такой позиции был философ Людвиг Витгенштейн. Особенно резко он высказывался о диагональном методе и даже после смерти Кантора продолжал жаловаться на «пагубные подходы теории множеств». Но основная причина, по которой он продолжал громогласно жаловаться, состояла в том, что математики все больше и больше вставали на сторону Кантора и никто из них не обращал внимания на Витгенштейна. Это, наверно, было особенно обидно, потому что самого Витгенштейна очень интересовала философия математики, но, с другой стороны, математики не слишком любят философов, которые упорно твердят, что они, математики, все делают неправильно. Теория множеств работала , а математики в большинстве своем весьма прагматичны, даже в фундаментальных вопросах.