Ինչքան մեծ է անվերջությունը
«Մարվել» բլոքբասթերի «Վրիժառուներ. վերջնախաղ» ֆիլմի վերջում Թոնի Սթարքի նախապես ձայնագրված հոլոգրամը հրաժեշտ է տալիս իր փոքրիկ դստերը՝ ասելով. «Ես քեզ սիրում եմ 3000»: Հուզիչ պահը կրկնում է ավելի վաղ տեսարան, որտեղ երկուսն էլ զբաղված են քնելուց առաջ իրենց սերը միմյանց նկատմամբ քանակական գնահատելու զվարճալի ծեսով: Ըստ Ռոբերտ Դաունի կրտսերի՝ Սթարկին մարմնավորող դերասան, ոգեշնչվել է իր երեխաների հետ նմանատիպ փոխանակումներից:
Խաղը կարող է լինել մեծ թվեր ուսումնասիրելու զվարճալի միջոց.
«Ես սիրում եմ քեզ 10».
«Բայց ես քեզ սիրում եմ 100»:
«Դե, ես սիրում եմ քեզ 101»:
Ահա թե ինչպես է «googolplex»-ը դարձել հայտնի բառ իմ տանը: Բայց մենք բոլորս գիտենք, թե ի վերջո ուր է տանում այս փաստարկը.
«Ես սիրում եմ քեզ անսահման»: “Օ, այո? Ես սիրում եմ քեզ անսահմանություն գումարած 1»:
Անկախ նրանից, թե դա խաղահրապարակում է, թե քնելուց առաջ, երեխաները բախվում են անսահմանության հայեցակարգին մաթեմատիկայի դասերից շատ առաջ, և հասկանալի է, որ նրանք հիանում են այս առեղծվածային, բարդ և կարևոր հայեցակարգով: Այդ երեխաներից ոմանք մեծանում են որպես մաթեմատիկոսներ՝ հիացած անսահմանությամբ, իսկ այդ մաթեմատիկոսներից ոմանք նոր ու զարմանալի բաներ են բացահայտում անսահմանության մասին: Դուք կարող եք իմանալ, որ թվերի որոշ հավաքածուներ անսահման մեծ են, բայց գիտե՞ք արդյոք, որ որոշ անվերջություններ ավելի մեծ են, քան մյուսները: Եվ որ մենք վստահ չենք, արդյոք կան այլ անսահմանություններ, որոնք սենդվիչ են անում այն երկուսի միջև, որոնք մենք լավագույնս գիտենք: Մաթեմատիկոսները այս երկրորդ հարցի շուրջ խորհում էին առնվազն մեկ դար, և վերջերս որոշ աշխատություններ փոխեցին մարդկանց մտածելակերպը այս հարցի վերաբերյալ:
Անսահման բազմությունների չափի վերաբերյալ հարցերը լուծելու համար եկեք սկսենք այն հավաքածուներից, որոնք ավելի հեշտ է հաշվել: Բազմությունը առարկաների կամ տարրերի հավաքածու է, իսկ վերջավոր բազմությունը պարզապես մի բազմություն է, որը պարունակում է վերջավոր շատ առարկաներ:
Վերջնական բազմության չափը որոշելը հեշտ է. Պարզապես հաշվեք դրա մեջ պարունակվող տարրերի քանակը: Քանի որ հավաքածուն վերջավոր է, դուք գիտեք, որ վերջիվերջո կդադարեք հաշվել, և երբ ավարտեք, դուք գիտեք ձեր հավաքածուի չափը:
Այս ռազմավարությունը չի աշխատում անսահման հավաքածուների հետ: Ահա բնական թվերի բազմությունը, որը նշվում է ℕ։ (Ոմանք կարող են պնդել, որ զրոն բնական թիվ չէ, բայց այդ բանավեճը չի ազդում անսահմանության մեր ուսումնասիրությունների վրա):
N= {1, 2, 3, 4, 5 …..}
Ո՞րն է այս հավաքածուի չափը: Քանի որ ամենամեծ բնական թիվ չկա, տարրերի թիվը հաշվելու փորձը չի աշխատի: Լուծումներից մեկն այս անսահման բազմության չափը պարզապես «անսահմանություն» հայտարարելն է, ինչը սխալ չէ, բայց երբ սկսում ես ուսումնասիրել այլ անսահման բազմություններ, հասկանում ես, որ դա նույնպես այնքան էլ ճիշտ չէ:
Դիտարկենք իրական թվերի բազմությունը, որոնք բոլոր թվերն են, որոնք արտահայտվում են տասնորդական ընդլայնմամբ, օրինակ՝ 7, 3.2, −8.015 կամ անսահման ընդլայնում, ինչպիսին է 2‾√=1.414213…: Քանի որ յուրաքանչյուր բնական թիվ նույնպես իրական թիվ է, ռեալների բազմությունը առնվազն նույնքան մեծ է, որքան բնական թվերի բազմությունը, և, հետևաբար, նույնպես պետք է լինի անվերջ: Բայց կա մի անբավարար բան իրական թվերի բազմության չափը նույն «անսահմանության» մեջ հայտարարելու մեջ, որն օգտագործվում է բնական թվերի չափը նկարագրելու համար: Տեսնելու համար, թե ինչու, ընտրեք ցանկացած երկու թիվ, օրինակ՝ 3-ը և 7-ը: Այդ երկու թվերի միջև միշտ կլինեն անսահման շատ բնական թվեր. ահա 4, 5 և 6 թվերը: Բայց նրանց միջև միշտ կլինեն անսահման շատ իրական թվեր՝ թվեր: ինչպես 3.001, 3.01, π, 4.01023, 5.666… և այլն: Հատկանշական է, որ անկախ նրանից, թե որքան մոտ են երկու տարբեր իրական թվեր միմյանց, դրանց միջև միշտ կլինեն անսահման շատ իրական թվեր: Սա ինքնին չի նշանակում, որ իրական թվերի և բնական թվերի բազմություններն ունեն տարբեր չափեր, բայց դա նշանակում է, որ այս երկու անսահման բազմությունների մեջ սկզբունքորեն տարբեր բան կա, որը պահանջում է հետագա ուսումնասիրություն: Մաթեմատիկոս Գեորգ Կանտորը դա հետաքննել է 19-րդ դարի վերջին։ Նա ցույց տվեց, որ այս երկու անսահման հավաքածուները իսկապես ունեն տարբեր չափեր: Հասկանալու և գնահատելու համար, թե ինչպես է նա դա արել, նախ պետք է հասկանանք, թե ինչպես կարելի է համեմատել անսահման բազմությունները: Գաղտնիքը ամենուր մաթեմատիկայի դասերի հիմնական բաղադրիչն է՝ ֆունկցիաները:
ֆունկցիաների մասին — ֆունկցիայի նշում, ինչպիսին է f(x)=x2+1, պարաբոլների գրաֆիկները դեկարտյան հարթությունում, կանոններ, ինչպիսիք են «վերցնել մուտքագրումը և դրան ավելացնել 3», բայց այստեղ մենք կմտածենք ֆունկցիան որպես միջոց համապատասխանեցնել մի հավաքածուի տարրերը մյուսի տարրերի հետ:
Եկեք այդ բազմություններից մեկը համարենք ℕ՝ բնական թվերի բազմությունը: Մյուս բազմության համար, որը մենք կանվանենք S, մենք կվերցնենք բոլոր զույգ բնական թվերը: Ահա մեր երկու հավաքածուները.
ℕ={0,1,2,3,4,…} S={0,2,4,6,8,…}
Կա մի պարզ ֆունկցիա, որը ℕ-ի տարրերը վերածում է S-ի տարրերի՝ f(x)=2x: Այս ֆունկցիան պարզապես կրկնապատկում է իր մուտքերը, հետևաբար, եթե ℕ-ի տարրերը համարենք որպես f(x)-ի մուտքեր (գործառույթի մուտքերի բազմությունը անվանում ենք «տիրույթ»), ելքերը միշտ կլինեն S-ի տարրեր: օրինակ՝ f(0)=0, f(1)=2, f(2)=4, f(3)=6 և այլն: Դուք կարող եք դա պատկերացնել՝ կողք կողքի շարելով երկու հավաքածուների տարրերը և օգտագործելով սլաքներ՝ ցույց տալու համար, թե ինչպես է f ֆունկցիան մուտքերը ℕ-ից վերածում S-ի ելքերի:
N. S
0———f————>1
1———f————>2
2———f————>4
3———f————>6
4———f————>8
5———f————>10
Ուշադրություն դարձրեք, թե ինչպես է f(x)-ը վերագրում S-ի մեկ տարր ℕ-ի յուրաքանչյուր տարրին: Դա այն է, ինչ գործառույթներն են անում, բայց f(x)-ն դա անում է հատուկ ձևով: Նախ, f-ն ամեն ինչ վերագրում է S-ում ℕ-ում: Օգտագործելով ֆունկցիայի տերմինաբանությունը՝ մենք ասում ենք, որ S-ի յուրաքանչյուր տարր f ֆունկցիայի տակ գտնվող ℕ տարրի «պատկերն» է։ Օրինակ՝ 3472 զույգ թիվը S-ում է, և մենք կարող ենք գտնել x ℕ-ում այնպիսին, որ f(x)=3472 (մասնավորապես՝ 1736): Այս իրավիճակում մենք ասում ենք, որ f(x) ֆունկցիան քարտեզագրում է ℕ S-ի վրա: Դա ասելու ավելի գեղեցիկ ձև է, որ f(x) ֆունկցիան «սուբյեկտիվ» է: Ինչ էլ որ նկարագրեք, կարևորն այն է. քանի որ f(x) ֆունկցիան մուտքերը ℕ-ից վերածում է S-ի ելքերի, S-ում ոչինչ չի բաց թողնվում գործընթացում: Նույնիսկ ավելի մեծ անակնկալ կարող է լինել այն, որ կան տարբեր չափերի անսահման հավաքածուներ: Ավելի վաղ մենք ուսումնասիրեցինք իրական և բնական թվերի անվերջ բազմությունների տարբեր բնույթը, և Քանտորն ապացուցեց, որ այս երկու անսահման բազմությունները տարբեր չափեր ունեն: Նա դա արեց իր փայլուն և հայտնի, անկյունագծային փաստարկով:
Քանի որ կան անսահման շատ իրական թվեր ցանկացած երկու տարբեր իրականների միջև, եկեք մի պահ կենտրոնանանք զրոյի և 1-ի միջև եղած անսահման շատ իրական թվերի վրա: Այս թվերից յուրաքանչյուրը կարելի է համարել որպես (հնարավոր է անվերջ) տասնորդական ընդլայնում, ինչպես օրինակ.
a1, a2, a3, a5……
Այստեղ a1, a2, a3 և այլն, պարզապես թվի թվերն են, բայց մենք կպահանջենք, որ ոչ բոլոր թվանշանները լինեն զրո, որպեսզի մենք չներառենք զրոյական թիվը մեր հավաքածուում:
Շեղանկյուն արգումենտը հիմնականում սկսվում է այն հարցից. Ի՞նչ կլիներ, եթե բնական թվերի և այս իրական թվերի միջև բիեկցիա գոյություն ունենար: Եթե այդպիսի ֆունկցիա գոյություն ունենար, երկու բազմությունները կունենային նույն չափը, և դուք կարող եք օգտագործել ֆունկցիան՝ յուրաքանչյուր իրական թիվը զրոյի և 1-ի միջև բնական թվի հետ համապատասխանեցնելու համար: Դուք կարող եք պատկերացնել համընկնումների պատվիրված ցանկը, այսպես
N. իրական թվեր
0 և 1 միջև
0.<———————->0 a1,a2,a3,a4,a5..
1 <———————>0 b1,b2,b3,b4,b5…
2 <———————>0 c1,c2,c3,c4,c5…
3 <———————>0 d1,d2,d3,d4,d5…
4 <———————>0 e1,e2,e3,e4,e5…
Անկյունագծային փաստարկի հանճարը կայանում է նրանում, որ դուք կարող եք օգտագործել այս ցուցակը իրական թիվ կառուցելու համար, որը չի կարող լինել ցուցակում: Սկսեք իրական թվանշան նիշ առ նիշ կառուցել հետևյալ կերպ. տասնորդական կետից հետո առաջին նիշը դարձրեք a1-ից տարբեր, երկրորդ նիշը b2-ից տարբերվող, երրորդ թվանշանը դարձրեք c3-ից տարբերվող և այլն:
N. իրական թվեր
0 և 1 միջև
0.<———————->0 a1,a2,a3,a4,a5..
1 <———————>0 b1,b2,b3,b4,b5…
2 <———————>0 c1,c2,c3,c4,c5…
3 <———————>0 d1,d2,d3,d4,d5…
4 <———————>0 e1,e2,e3,e4,e5
Այս իրական թիվը որոշվում է ցուցակի անկյունագծի հետ ունեցած փոխհարաբերությամբ: Ցուցակո՞ւմ է: Այն չի կարող լինել ցուցակի առաջին համարը, քանի որ այն ունի այլ առաջին թվանշան: Նա չի կարող լինել ցուցակի երկրորդ համարը, քանի որ այն ունի այլ թվանշան: Փաստորեն, դա չի կարող լինել այս ցուցակի n-րդ համարը, քանի որ այն ունի տարբեր n-րդ նիշ: Եվ սա ճիշտ է բոլոր n-ի համար, ուստի այս նոր թիվը, որը գտնվում է զրոյի և 1-ի միջև, չի կարող լինել ցուցակում: Բայց բոլոր իրական թվերը զրոյի և 1-ի միջև պետք է լինեին ցուցակում: Այս հակասությունը ծագում է այն ենթադրությունից, որ գոյություն ունի բիեկցիա բնական թվերի և իրականների միջև զրոյի և 1-ի միջև, և, հետևաբար, նման բիեկցիա գոյություն չունի: Սա նշանակում է, որ այս անսահման հավաքածուները տարբեր չափսեր ունեն: Գործառույթների հետ մի փոքր ավելի շատ աշխատանք (տե՛ս վարժությունները) կարող է ցույց տալ, որ բոլոր իրական թվերի բազմությունը նույն չափն է, ինչ զրոյի և 1-ի միջև ընկած բոլոր ռեալների բազմությունը, և, հետևաբար, ռեալները, որոնք պարունակում են բնական թվեր, պետք է լինեն a. ավելի մեծ անսահման հավաքածու: Անսահման բազմության չափի տեխնիկական տերմինը նրա «կարդինալությունն» է։ Շեղանկյուն փաստարկը ցույց է տալիս, որ իրական թվերի կարդինալությունն ավելի մեծ է, քան բնական թվերի կարդինալությունը։ Բնական թվերի կարդինալությունը գրվում է ℵ0, արտասանվում է «aleph naught»: Մաթեմատիկայի ստանդարտ տեսակետում սա ամենափոքր անսահման կարդինալն է: Հաջորդ անսահման կարդինալը ℵ1-ն է («ալեֆ մեկ»), և մի պարզ հարցն ավելի քան մեկ դար է, ինչ անհանգստացնում է մաթեմատիկոսներին. Այսինքն՝ բնական թվերի և իրական թվերի միջև այլ անվերջություններ կա՞ն։ Քանթորը կարծում էր, որ պատասխանը ոչ է՝ պնդում, որը հայտնի դարձավ որպես շարունակական հիպոթեզ, բայց նա չկարողացավ դա ապացուցել: 1900-ականների սկզբին այս հարցն այնքան կարևոր էր համարվում, որ երբ Դեյվիդ Հիլբերտը հավաքեց մաթեմատիկայի 23 կարևոր բաց խնդիրների իր հայտնի ցանկը, շարունակականության վարկածը թիվ մեկ էր:
Հարյուր տարի անց մեծ առաջընթաց է գրանցվել, բայց այդ առաջընթացը հանգեցրել է նոր առեղծվածների: 1940 թվականին հայտնի տրամաբան Կուրտ Գյոդելն ապացուցեց, որ բազմությունների տեսության ընդհանուր ընդունված կանոնների համաձայն անհնար է ապացուցել, որ գոյություն ունի անսահմանություն բնական թվերի և իրական թվերի միջև: Դա կարող է թվալ մեծ քայլ դեպի ապացուցելու, որ շարունակականության վարկածը ճշմարիտ է, բայց երկու տասնամյակ անց մաթեմատիկոս Փոլ Քոհենն ապացուցեց, որ անհնար է ապացուցել, որ այդպիսի անսահմանություն գոյություն չունի: Պարզվում է, որ շարունակականության վարկածն այսպես թե այնպես չի կարող ապացուցվել: Այս արդյունքները միասին հաստատեցին շարունակականության վարկածի «անկախությունը»: Սա նշանակում է, որ բազմությունների ընդհանուր ընդունված կանոնները բավականաչափ չեն ասում մեզ, թե արդյոք գոյություն ունի անսահմանություն բնական թվերի և իրականների միջև: Բայց մաթեմատիկոսներին անսահմանության ըմբռնման ձգտման մեջ հուսահատեցնելու փոխարեն, դա նրանց առաջնորդել է նոր ուղղություններով: Մաթեմատիկոսներն այժմ փնտրում են նոր հիմնարար կանոններ անսահման բազմությունների համար, որոնք կարող են բացատրել այն, ինչ արդեն հայտնի է անսահմանության մասին, և օգնել լրացնել բացերը:
«Իմ սերը քո հանդեպ անկախ է աքսիոմներից» ասելը կարող է այնքան զվարճալի չլինի, որքան «Ես քեզ սիրում եմ անսահմանություն գումարած 1» ասելը, բայց, հավանաբար, դա կօգնի անսահմանության սիրահար մաթեմատիկոսների հաջորդ սերնդին լավ քնել:
Թարգմանության հղումն`այստեղ