康托尔定理是集合论中的一项基本结果:任何集合 的基数都严格小于其幂集 的基数;幂集就是由该集合的所有子集组成的集合。等价地,不存在从 到 的满射。这一定理对有限集和无限集同样适用,并表明,取幂集会产生依次增大的无限基数,而不存在一个囊括一切的无限基数。(math.ucla.edu)
定理陈述与记号
集合 的幂集定义为
其中, 表示 是 的子集。康托尔定理断言
这里的“小于”指的是基数的大小,而非包含关系:两个集合的基数相等,当且仅当它们之间存在双射函数。上述不等式断言,从 到 存在单射函数,但两者之间不存在双射。这个单射很容易给出:
不同的元素对应不同的单元素子集。因此,定理的关键在于证明不可能存在满射函数 。(math.ucdavis.edu)
对于含有 个元素的有限集,
因为每个元素要么属于某个子集,要么不属于该子集。例如,
所以,含有两个元素的集合有四个子集。这一定理也适用于空集,因为
它的重要意义在于:对于无限集,基数也会同样严格增大。(whitman.edu)
对角线证明
设 是任意一个函数。定义
这是 的一个子集,因而是 的一个元素。(math.ucla.edu)
对于每个 , 与 在是否包含元素 这一点上不同:
- 若 ,则 。
- 若 ,则 。
因此,对每个 ,都有 。于是, 不在 的像中,故 不是满射。由于 是任意选取的,从 到其幂集不存在满射。(math.ucla.edu)
在通常的反证法中,先假设 是满射。那么必有某个 满足 ,但根据 的定义,
这就产生了矛盾。结合前述将元素映射到其单元素集的单射,便证明了基数之间的严格不等式。(math.ucla.edu)
这一证明是康托尔对角线论证的一个实例:面对一个声称已经列全的对象族,构造一个新对象,使它在每个索引所对应的位置上,都与该索引对应的对象不同,从而证明原来的对象族并未列全。这里不需要按数值顺序排列 的元素。(math.ucla.edu)
二值函数表述
每个子集 都唯一对应于它的示性函数
因此, 与函数集 的基数相同,通常记为 。康托尔定理因而可以写成
这里的幂表示基数幂运算,是有限情形下计数公式的推广,而不是普通的实数幂运算。(plato.stanford.edu)
在这一表述中,若试图用 为 上的所有二值函数建立索引,就必然会遗漏函数
对于每个 , 与 在自变量为 时的函数值不同。这仍是同一个对角线构造,只是用函数值来表达,而不是用元素是否属于子集来表达。(math.bu.edu)
无限基数与连续统
将定理应用于自然数,可得
因此, 不是可数集:不存在一个序列能够列出自然数集的所有子集。等价地,所有无限二进制序列组成的集合是不可数的。(math.ucdavis.edu)
的幂集与实数集的基数相同,所以
反复应用这一定理,可得
更一般地,每个集合的幂集都具有严格更大的基数。因此,不存在最大的基数。(math.ucdavis.edu)
康托尔定理并未确定基数 比 大多少。尤其是,它并不能解决连续统假设,该假设断言
其中, 是最小的不可数基数。假定相关公理相容,连续统假设独立于加入选择公理的策梅洛—弗兰克尔集合论;而康托尔的严格不等式则是这一公理系统中的定理。(plato.stanford.edu)
公理基础及与悖论的关系
这一证明不需要选择公理。其中的构造都是明确给出的:将元素映射到其单元素集的映射提供了一个单射,而分离公理则从已有集合 中,选出恰好满足 的那些元素,构成 。幂集公理保证 作为一个集合存在。这些构造在不含选择公理的策梅洛—弗兰克尔集合论中都可以完成。(plato.stanford.edu)
定义 的条件与罗素悖论中涉及集合是否属于自身的条件相似,但两者的作用不同。罗素悖论揭示了不受限制的集合概括原则所导致的矛盾。康托尔的构造则是从一个已有集合中选取子集,符合分离公理;这里的矛盾所否定的是所假设的满射的存在。(math.ucla.edu)
这一定理也有助于解释为什么标准集合论中不存在全集。若有一个集合 包含所有集合,那么 的每个子集本身也都属于 ,于是得到包含关系 ,这与康托尔的基数不等式不相容。因此,标准的公理化处理会区分集合与那些大到无法成为集合的汇集,例如所有集合的汇集。(plato.stanford.edu)
历史发展
格奥尔格·康托尔在1874年发表的论文中证明了实数集不可数。他在1891年提出的对角线论证提供了一种一般方法:对于任意集合 ,从 到一个二元素集合的所有函数所组成的集合,其基数严格大于 的基数。通过子集与二值函数之间的对应关系,这一结果就是现代的幂集定理。与早先关于实数的论证不同,这一一般性结果不依赖于实数直线的序结构或拓扑性质。(math.bu.edu)
参考来源
- Introduction to Analysismath.ucdavis.edu
- Cantor’s Paradoxical Theoremmath.uci.edu
- 10 Cantor's Theoremwhitman.edu
- The Notation in Principia Mathematicaplato.stanford.edu
- Set Theoryplato.stanford.edu
- The Continuum Hypothesisplato.stanford.edu
- Alternative Axiomatic Set Theoriesplato.stanford.edu
- The Continuum Hypothesisplato.stanford.edu