Хавьер Фресан - Том. 22. Сон разума. Математическая логика и ее парадоксы

Вернемся к конечным множествам и посмотрим, что произойдет, если мы будем не рассматривать две совокупности по отдельности, а станем по очереди извлекать из них по одному элементу: начнем с буквы Н и красного цвета и т. д., пока не дойдем до буквы С, которой соответствует фиолетовый цвет. В этот момент одно из двух множеств уже «закончилось», а в другом осталось еще три элемента — буквы Т, В и О, следовательно, кардинальное число этого множества больше. Операция, которую мы попытались проделать, в математике называется установлением биекции между двумя множествами и означает присвоение каждому элементу множества X элемента другого множества Y «один к одному» так, что выполняются следующие условия.

1. Не существует двух элементов X таких, которым соответствует один и тот же элемент Y .

2. Каждому элементу Y соответствует какой-либо элемент множества X .

Таким образом, используя введенную нами терминологию, можно сказать, что кардинальные числа двух множеств равны, если между ними можно установить биекцию. Нетрудно показать, что установить биекцию между двумя конечными множествами с разным числом элементов нельзя, так как либо несколько элементов X будут поставлены в соответствие одному и тому же элементу Y , либо какой-то элемент Y останется без пары.

Три примера отображения конечных множеств, лишь одно из которых (см. рис. 3) является биекцией, так как на рис. 1 двум элементам первого множества сопоставлен один элемент второго, а на рис. 2 один из элементов исходного множества остался без пары.

Преимущество этого подхода в том, что его можно применить к бесконечным множествам. Таким образом, будем говорить, что кардинальные числа двух множеств равны, если между множествами можно установить биекцию. Первое следствие этого, возможно, удивит читателя: существует столько же четных чисел, сколько четных и нечетных, вместе взятых. Как такое возможно? Для доказательства этого весьма неочевидного утверждения достаточно определить биекцию между натуральными и четными числами. Сопоставим 0 и 0, 1 и 2, 2 и 4, а произвольному п сопоставим число, в два раза большее него. При таком отображении различным числам всегда будут соответствовать разные числа, и любое четное число будет сопоставлено с числом, в два раза меньшим его. Так как оба свойства биекции выполняются, это означает, что существует столько же четных чисел, сколько и натуральных!

Переформулируем этот результат: «В отеле с бесконечным количеством комнат всегда найдется место для новых постояльцев, даже если все номера заняты». В самом деле, в гостиницах с конечным количеством номеров, где нет свободных мест, вам в лучшем случае подскажут, где находится ближайший отель. Но в гостиницах с бесконечным количеством номеров этого не происходит: так как в них столько же комнат, сколько комнат с четными номерами, можно использовать составленную нами биекцию и переселить постояльца из первого номера во второй, из второго — в четвертый и т. д., таким образом все комнаты с нечетными номерами окажутся свободными. И мы можем найти комнату для бесконечного числа путешественников. Возможно, владельцам отелей стоит взять это на заметку.

Существование подобных гостиниц, которые невозможно заполнить, — это не просто любопытный факт, связанный с четными числами, а основное свойство бесконечных множеств, как заметил Рихард Дедекинд в своей статье «Что такое числа и для чего они служат», опубликованной в 1888 году. Множество является бесконечным, если можно определить биекцию между ним и его частью. Очевидно, что с конечными множествами подобное невозможно, так как часть конечного множества не может быть поставлена в соответствие целому (как мы говорили выше, между двумя конечными множествами, число элементов которых равно m и n соответственно, можно установить биекцию только при m = n ). Тем не менее натуральных чисел бесконечно много, так как часть этого множества, строго включенная в него, то есть множество четных чисел, имеет то же кардинальное число, что и все множество в целом. Следовательно, новое определение соответствует рассуждениям, основанным на аксиомах Пеано, с помощью которых мы в предыдущей главе доказали, что натуральных чисел бесконечно много. Однако множество натуральных чисел — это наименьшее бесконечное множество из всех, что можно представить.