Апология математики (сборник статей)

В § 8 мы уже встретились с примером бесконечного множества, не являющегося счётным. Это было множество Ω всех бесконечных двоичных последовательностей. Множество называется несчётным, если оно бесконечно и не является счётным. Можно было бы сказать и так: множество называется несчётным, если оно не является разве что счётным. Сам факт существования несчётных множеств весьма принципиален, поскольку показывает, что бывают бесконечные множества, количество элементов в которых отлично от количества элементов натурального ряда. Установление данного факта в XIX в. Георгом Кантором является одним из крупнейших открытий в математике.

В этом параграфе будет показано, что некоторые из хорошо известных множеств несчётны. Среди таких множеств – прямая (понимаемая как множество её точек), луч, отрезок и интервал. Напомним, что интервал]a; b[состоит из всех точек, расположенных между точками a и b, тогда как отрезку [a; b], помимо указанных точек, принадлежат ещё и сами точки a и b.

Но прежде всего следует сказать об аксиоме вложенных отрезков. Список аксиом геометрии включает одну или несколько (в зависимости от выбранной версии списка) так называемых аксиом непрерывности, которые обеспечивают непрерывность прямой. Понятно, что данная фраза требует разъяснения. Дадим его в форме иллюстрации.

Допустим, мы должны воткнуть иглу циркуля в точку прямой, заданным раствором описать окружность и найти точку пересечения этой окружности с исходной прямой. Теперь вообразим, что такой точки мы не находим, потому что там, где мы рассчитываем её обнаружить, в прямой дырка. «Но это невозможно!» – с возмущением воскликнет читатель. Однако подобная невозможность как раз и обеспечивается аксиомами непрерывности. Представим себе, что прямая содержала бы только точки с рациональными координатами, а нужная нам точка имела бы координату √2 и потому отсутствовала бы на прямой. Аксиомы непрерывности и гарантируют присутствие на прямой точек с любыми действительными координатами и тем самым возможность отождествления точек прямой с действительными числами, координатами этих точек. Говорят, что точки прямой (или соответствующие им действительные числа) образуют континуум. Латинское прилагательное continuus (это в мужском роде, а в среднем – continuum) как раз и означает 'непрерывный, сплошной, связный, продолжающийся без перерыва, не имеющий ни скачков, ни пробелов'. Можно говорить о континууме точек на интервале или на отрезке, но говорить, скажем, о континууме рациональных точек нельзя.

Известны несколько вариантов аксиомы (или аксиом) непрерывности, из которых мы выберем такой:

Пусть дана бесконечная последовательность вложенных друг в друга отрезков:

[a₁; b₁] ⊃ [a₂; b₂] ⊃ [a₃; b₃] ⊃ … ⊃ [a_n; b_n] ⊃ ….

Существует точка, принадлежащая всем этим отрезкам.

Это и есть аксиома о вложенных отрезках. (Подумайте, почему в формулировке аксиомы нельзя заменить отрезки интервалами.)

Пример 47. Доказать, что множество точек прямой несчётно.

Доказательство ведём от противного. Допустим, что это множество счётно и перенумеруем его: x₁, x₂, x₃, …, x_n, …. Образуем последовательность вложенных отрезков по следующему принципу: отрезок [a_k; b_k] не должен содержать ни одну из точек x₁, x₂, x₃, …, x_k. Тогда не найдётся ни одной точки xn, которая принадлежала бы всем отрезкам, что нарушает аксиому. Итак, множество точек прямой несчётно.

Совершенно так же доказывается несчётность отрезка, интервала, открытого (без вершины) и замкнутого (включая вершину) луча. Каждая из этих геометрических фигур понимается в данном случае как множество своих точек. Более того, все эти множества оказываются равномощными; говорят, что они континуальны или что они имеют мощность континуума. Сейчас мы докажем заявленную равномощность.