Московское математическое общество, Московский центр непрерывного математического образования, Малый мехмат МГУ

Серия "Библиотека «Математическое просвещение»"

А. А. Болибрух. Проблемы Гильберта (100 лет спустя)


Первая проблема Гильберта: континуум-гипотеза

Континуум-гипотеза, первая проблема Гильберта, относится к задачам оснований математики и теории множеств. Она тесно связана с такими простыми и естественными вопросами, как "Сколько?", "Больше или меньше?", и практически любой старшеклассник может понять, в чем состоит эта проблема. Тем не менее, нам потребуются некоторые дополнительные сведения, чтобы ее сформулировать.

Эквивалентность множеств

Рассмотрим следующий пример. В школе проходит вечер танцев. Как определить, кого больше на этом вечере: девочек или мальчиков?

Можно, конечно, пересчитать тех и других и сравнить два полученных числа. Но гораздо проще дать ответ, когда оркестр заиграет вальс и все танцующие разобьются на пары. Тогда, если все присутствующие танцуют, значит, каждому нашлась пара, т. е. мальчиков и девочек одинаковое количество. Если же остались только мальчики, значит, мальчиков больше, и наоборот.

Этот способ, иногда более естественный, чем непосредственный пересчет, называется принципом разбиения на пары, или принципом взаимно однозначного соответствия.

Рассмотрим теперь совокупность объектов произвольной природы --- множество. Объекты, входящие в множество, называются его элементами. Если элемент x входит в множество X, это обозначают так: x X. Если множество X1 содержится в множестве X2, т. е. все элементы множества X1 являются также элементами X2, то говорят, что X1 --- подмножество X2, и кратко записывают так: X1 X2.

Множество конечно, если в нем конечное число элементов. Множества могут быть как конечными (например, множество учеников в классе), так и бесконечными (например, --- множество всех натуральных чисел 1,2,3,...). Множества, элементами которых являются числа, называются числовыми.

Пусть X и Y --- два множества. Говорят, что между этими множествами установлено взаимно однозначное соответствие, если все элементы этих двух множеств разбиты на пары вида (x,y), где x X, y Y, причем каждый элемент из X и каждый элемент из Y участвует ровно в одной паре.

Пример, когда все девочки и мальчики на танцевальном вечере разбиваются на пары, и есть пример взаимно однозначного соответствия между множеством девочек и множеством мальчиков.

Множества, между которыми можно установить взаимно однозначное соответствие, называются эквивалентными или равномощными. Два конечных множества эквивалентны тогда и только тогда, когда в них одинаковое количество элементов. Поэтому естественно считать, что если одно бесконечное множество эквивалентно другому, то в нем "столько же" элементов. Однако, опираясь на такое определение эквивалентности, можно получить весьма неожиданные свойства бесконечных множеств.

Бесконечные множества

Рассмотрим любое конечное множество и любое его собственное (непустое и не совпадающее с ним самим) подмножество. Тогда элементов в подмножестве меньше, чем в сам множестве, т. е. часть меньше целого.

Обладают ли бесконечные множества таким свойством? И может ли иметь смысл утверждение, что в одном бесконечном множестве "меньше" элементов, чем в другом, тоже бесконечном? Ведь про два бесконечных множества мы можем пока только сказать, эквивалентны они или нет. А существуют ли вообще неэквивалентные бесконечные множества?

Далее мы последовательно ответим на все эти вопросы. А для начала приведем забавную фантастическую историю из книги Н. Я. Виленкина "Рассказы о множествах".1Действие происходит в далеком будущем, когда жители разных галактик могут встречаться друг с другом. Поэтому для всех путешествующих по космосу построена огромная гостиница, протянувшаяся через несколько галактик.

В этой гостинице бесконечно много номеров (комнат), но, как и положено, все комнаты пронумерованы, и для любого натурального числа n есть комната с этим номером.

Однажды в этой гостинице проходил съезд космозоологов, в котором участвовали представители всех галактик. Так как галактик тоже бесконечное множество, все места в гостинице оказались занятыми. Но в это время к директору гостиницы приехал его друг и попросил поселить его в эту гостиницу.

"После некоторых размышлений директор обратился к администратору и сказал:

--- Поселите его в # 1.

--- Куда же я дену жильца этого номера? --- удивленно спросил администратор.

--- А его переселите в # 2. Жильца же из # 2 отправьте в # 3, из # 3 --- в # 4 и т. д."

Вообще, пусть постоялец, живущий в номере k, переедет в номер k+1, как это показано на следующем рисунке:

Тогда у каждого снова будет свой номер, а # 1 освободится.

Таким образом, нового гостя удалось поселить --- именно потому, что номеров в гостинице бесконечно много.

Первоначально участники съезда занимали все номера гостиницы, следовательно, между множеством космозоологов и множеством было установлено взаимно однозначное соответствие: каждому космозоологу дали по номеру, на двери которого написано соответствующее ему натуральное число. Естественно считать, что делегатов было "столько же", сколько имеется натуральных чисел. Но приехал еще один человек, его тоже поселили, и количество проживающих увеличилось на 1. Но их снова осталось "столько же", сколько и натуральных чисел: ведь все поместились в гостиницу! И если обозначить количество космозоологов через 02, то мы получим "тождество" 0=0+1. Ни для какого конечного 0 оно, разумеется, не выполнено.

Мы пришли к удивительному выводу: если к множеству, которое эквивалентно , добавить еще один элемент, получится множество, которое снова эквивалентно . Но ведь совершенно ясно, что делегаты-космозоологи представляют собой часть того множества людей, которые разместились в гостинице после приезда нового гостя. Значит, в этом случае часть не "меньше" целого, а "равна" целому!

Итак, из определения эквивалентности (которое не приводит ни к каким "странностям" в случае конечных множеств) следует, что часть бесконечного множества может быть эквивалентна всему множеству.

Возможно, что известный математик Больцано3, который пытался в своих рассуждениях применять принцип взаимно однозначного соответствия, испугался таких непривычных эффектов и поэтому не стал дальше развивать эту теорию. Она показалась ему совершенно абсурдной. Но Георг Кантор4 во второй половине XIX века вновь заинтересовался этим вопросом, стал исследовать его и создал теорию множеств, важный раздел оснований математики.

Продолжим наш рассказ про бесконечную гостиницу.

Новый постоялец "не удивился, когда на другое утро ему предложили переселиться в #1,000,000. Просто в гостиницу прибыли запоздавшие космозоологи из галактики ВСК-3472, и надо было разместить еще 999,999 жильцов".

Но потом произошла какая-то накладка, и в эту же самую гостиницу приехали на съезд филателисты5. Их тоже было бесконечное множество --- по одному представителю от каждой галактики. Как же их всех разместить?

Эта задача оказалась весьма сложной. Но и в этом случае нашелся выход.

"В первую очередь администратор приказал переселить жильца из # 1 в # 2.

--- А жильца из # 2 переселите в # 4, из # 3 --- в # 6, вообще, из номера n --- в номер 2n.

Теперь стал ясен его план: таким путем он освободил бесконечное множество нечетных номеров и мог расселять в них филателистов. В результате четные номера оказались занятыми космозоологами, а нечетные --- филателистами... Филателист, стоявший в очереди n-м, занимал номер 2n-1". И снова всех удалось разместить в гостинице. Итак, еще более удивительный эффект: при объединении двух множеств, каждое из которых эквивалентно , вновь получается множество, эквивалентное . Т. e. даже при "удвоении" множества мы получаем множество, эквивалентное исходному!

Далее будем рассматривать только числовые множества --- подмножества числовой прямой. Множество всех чисел на этой прямой, т. е. множество действительных чисел, обычно обозначают через .

Счетные и несчетные множества

Рассмотрим следующую цепочку: . ( --- это множество целых чисел, а --- множество рациональных чисел, т. е. множество чисел вида p/q, где p и q --- целые, q0.) Все эти множества бесконечны. Рассмотрим вопрос об их эквивалентности.

Установим взаимно однозначное соответствие между и : образуем пары вида (n,2n) и (-n,2n+1), n, а также пару (0,1) (на первое место в каждой паре ставится число из , а на второе --- из ).

Есть и другой способ установить это соответствие, например, выписать все целые числа в таблицу, как показано на рисунке, и, обходя ее по стрелочкам, присваивать каждому целому числу некоторый номер. Таким образом, мы " пересчитаем" все целые числа: каждому z сопоставляется некоторое натуральное число (номер) и для каждого номера есть такое целое число, которому этот номер приписывается. При этом явную формулу выписывать не обязательно.



Таким образом, эквивалентно .

Всякое множество, эквивалентное множеству натуральных чисел, называется счетным. Такое множество можно "пересчитать": пронумеровать все его элементы натуральными числами.

На первый взгляд, рациональных чисел на прямой "намного больше" чем целых. Они расположены всюду плотно: в любом сколь угодно малом интервале их бесконечно много. Но оказывается, что множество также счетно. Докажем сначала счетность + (множества всех положительных рациональных чисел).

Выпишем все элементы + в такую таблицу: в первой строке --- все числа со знаменателем 1 (т. е. целые), во второй --- со знаменателем 2 и т. д. (см. рисунок). Каждое положительное рациональное число обязательно встретится в этой таблице, и не однажды (например, число 1====... встречается в каждой строке этой таблицы).

А теперь мы пересчитаем эти числа: идя по стрелочкам, присваиваем каждому числу номер (или пропускаем это число, если оно уже встречалось нам раньше в другой записи). Поскольку мы двигаемся по диагоналям, то мы обойдем всю таблицу (т. е. рано или поздно доберемся до любого из чисел).



Итак, мы указали способ пронумеровать все числа из +, т. е. доказали, что + счетно.

Заметим, что этот способ нумерации не сохраняет порядка: из двух рациональных чисел большее может встретиться раньше, а может --- и позже.

Как же быть с отрицательными рациональными числами и нулем? Так же как с космозоологами и филателистами в бесконечной гостинице. Пронумеруем + не всеми натуральными числами, а только четными (давая им номера не 1, 2, 3, ..., а 2, 4, 6, ...), нулю присвоим номер 1, а всем отрицательным рациональным числам присвоим (по такой же схеме, что и положительным) нечетные номера, начиная с 3.

Теперь все рациональные числа занумерованы натуральными, следовательно, счетно.

Возникает естественный вопрос: Может быть, все бесконечные множества счетны?

Оказалось, что --- множество всех точек на числовой прямой --- несчетно. Этот результат, полученный Кантором в прошлом веке, произвел очень сильное впечатление на математиков.

Докажем этот факт так же, как это сделал Кантор: с помощью диагонального процесса.

Как мы знаем, каждое действительное число x можно записать в виде десятичной дроби:

x=A,12...n...,

где A --- целое число, не обязательно положительное, а 1, 2, ..., n, ... --- цифры (от 0 до 9). Это представление неоднозначно: например,
½=0,50000...=0,49999...

(в одном варианте записи, начиная со второй цифры после запятой, идут одни нули, а в другом --- одни девятки). Чтобы запись была однозначной, мы в таких случаях всегда будем выбирать первый вариант. Тогда каждому числу соответствует ровно одна его десятичная запись.

Предположим теперь, что нам удалось пересчитать все действительные числа. Тогда их можно расположить по порядку:

x1=A,1234...
x2=B,1234...
x3=C,1234...
x4=D,1234...

Чтобы прийти к противоречию, построим такое число y, которое не сосчитано, т. е. не содержится в этой таблице.

Для любой цифры a определим цифру следующим образом:

=

Положим (у этого числа k-я цифра после запятой равна 1 или 2, в зависимости от того, какая цифра стоит на k-м месте после запятой в десятичной записи числа xk).

Например, если

x1=  2,1345...
x2=  -3,4215...
x3=  10,5146...
x4=  -13,6781...
.....................

то =0,2112...

Итак, с помощью диагонального процесса мы получили действительное число y, которое не совпадает ни с одним из чисел таблицы, ведь y отличается от каждого xk по крайней мере k-й цифрой десятичного разложения, а разным записям, как мы знаем, соответствуют различные числа.

Предположив, что можно пересчитать все действительные числа, мы пришли к противоречию, указав число, которое не сосчитано. Следовательно, множество несчетно.

Множества и не являются эквивалентными, и , поэтому всех действительных чисел в некотором смысле "больше" чем натуральных. Говорят, что мощность множества ( мощность континуума) больше чем мощность .

Континуум-гипотеза

Теперь мы располагаем всеми необходимыми сведениями для того, чтобы сформулировать знаменитую первую проблему Гильберта:

Континуум-гипотеза.С точностью до эквивалентности, существуют только два типа бесконечных числовых множеств: счетное множество и континуум.

Иначе говоря, нужно установить, существует ли множество промежуточной мощности, т. е. такое множество T, T, которое не эквивалентно ни , ни .

Этой проблемой занимались очень многие математики. Сам Георг Кантор неоднократно заявлял, что доказал эту гипотезу, но всякий раз находил у себя ошибку.

О доказательствах в математике

Математика --- точная наука, требующая строгости рассуждений. Но что означает строго доказать какое-либо утверждение? Это означает вывести его из аксиом --- исходных положений, принимаемых без доказательства.

Конечно, в выборе аксиом, которые закладываются в основу теории, есть некоторый произвол. Но обычно аксиомы возникают естественным путем, из познания действительности. В теории множеств, частью которой являются конструкции, описанные в предыдущих разделах, тоже имеется общепризнанная система аксиом Цермело---Френкеля.

Доказать континуум-гипотезу --- значит, вывести ее из этих аксиом. Опровергнуть ее --- значит, показать, что если ее добавить к этой системе аксиом, то получится противоречивый набор утверждений.

Решение проблемы

--- Г-голубчики, --- сказал Федор Симеонович озадаченно... --- Это же проблема Бен Б-бецалеля. К-калиостро же доказал, что она н-не имеет р-решения.
--- Мы сами знаем, что она не имеет решения, --- сказал Хунта, немедленно ощетиниваясь. --- Мы хотим знать, как ее решать.
--- К-как-то ты странно рассуждаешь, К-кристо... К-как же искать решение, к-когда его нет? Б-бессмыслица какая-то...
--- Извини, Теодор, но это ты очень странно рассуждаешь. Бессмыслица --- искать решение, если оно и так есть. Речь идет о том, как поступать с задачей, которая решения не имеет. Это глубоко принципиальный вопрос...
А. Стругацкий , Б. Стругацкий.
Понедельник начинается в субботу

Оказалось, что первая проблема Гильберта имеет совершенно неожиданное решение.

В 1963 году американский математик Паул Коэн доказал, что континуум-гипотезу нельзя ни доказать, ни опровергнуть.

Это означает, что если взять стандартную систему аксиом Цермело---Френкеля (ZF) и добавить к ней континуум-гипотезу в качестве еще одной аксиомы, то получится непротиворечивая система утверждений. Но если к ZF добавить отрицание континуум-гипотезы (т. е. противоположное утверждение), то вновь получится непротиворечивая система утверждений.

Таким образом, ни континуум-гипотезу, ни ее отрицание нельзя вывести из стандартной системы аксиом.

Этот вывод произвел очень сильный эффект и даже отразился в литературе (см. эпиграф).

Как же поступать с этой гипотезой? Обычно ее просто присоединяют к системе аксиом Цермело---Френкеля. Но каждый раз, когда что-либо доказывают, опираясь на континуум-гипотезу, обязательно указывают, что она была использована при доказательстве.


1Виленкин Н. Я. Рассказы о множествах. М.: Наука, 1965.

20 (читается: "алеф-нуль") -- стандартное обозначение для мощности (числа элементов) множества .

3Бернард Больцано (1781--1848) --- чешский математик.

4Георг Кантор (1845--1918) --- немецкий математик.

5Коллекционеры почтовых марок.

Следующий раздел

На головную страницу