我们来一起探讨一下,集合 $(N imes N) imes (N imes N)$ 是否可数,如果可数,它与自然数集 $N$ 的对应关系(双射函数)是怎样的。如果不可数,它又与哪个集合等势。
首先,我们来明确一下一些基本概念:
自然数集 $N$: 通常我们指的是 ${1, 2, 3, dots}$ 或者 ${0, 1, 2, dots}$。为了方便讲解,我们在此采用 ${1, 2, 3, dots}$。自然数集是可数的。
笛卡尔积 $A imes B$: 如果 $A$ 和 $B$ 是集合,它们的笛卡尔积 $A imes B$ 是所有有序对 $(a, b)$ 的集合,其中 $a in A$ 且 $b in B$。
可数集: 一个集合是可数的,如果它可以与自然数集 $N$ 建立一个一一对应(双射)。这意味着我们可以将集合中的元素一个一个地“数”出来,虽然可能需要无限多的步骤。有限集合总是可数的。
等势(势相同): 如果两个集合之间存在一个双射函数,我们就说这两个集合是等势的,它们的“大小”是相同的,即使它们本身不是同一个集合。
现在,我们来分析集合 $(N imes N) imes (N imes N)$。
这个集合的元素是什么样子的呢?它是一个有序对,其中第一个元素是 $N imes N$ 中的一个有序对,第二个元素也是 $N imes N$ 中的一个有序对。所以,它的一个典型元素看起来是这样的:$((a, b), (c, d))$,其中 $a, b, c, d$ 都是自然数。
我们可以先考虑一下 $N imes N$ 这个集合。$N imes N$ 是所有形如 $(a, b)$ 的有序对的集合,其中 $a in N$ 且 $b in N$。例如,$(1, 1), (1, 2), (2, 1), (2, 2), dots$。
问题: $N imes N$ 是可数集吗?
答案是肯定的。 我们可以证明 $N imes N$ 是可数的。一个常用的方法是利用“鞋带法”或称为“斜向枚举法”来建立一个从 $N imes N$ 到 $N$ 的双射。
想象一下一个无限大的表格,行和列都标有自然数:
```
(1,1) (1,2) (1,3) (1,4) ...
(2,1) (2,2) (2,3) (2,4) ...
(3,1) (3,2) (3,3) (3,4) ...
(4,1) (4,2) (4,3) (4,4) ...
... ... ... ... ...
```
我们可以按照斜线(对角线)的顺序来枚举这些元素:
1. 从 $(1,1)$ 开始(和为 2 的对)。
2. 然后是 $(1,2)$ 和 $(2,1)$(和为 3 的对)。
3. 接着是 $(1,3), (2,2), (3,1)$(和为 4 的对)。
4. 依此类推。
具体来说,对于任意一个有序对 $(m, n) in N imes N$,它的“斜线位置”可以由两个数的和 $m+n$ 来决定。和为 $k$ 的有序对的个数是 $k1$(即 $(1, k1), (2, k2), dots, (k1, 1)$)。
如果我们从 $N imes N$ 的元素 $((m, n))$ 的和 $m+n$ 开始计数,我们可以构造一个双射函数 $f: N imes N o N$。
对于 $(m, n)$,我们可以计算:
1. 所有和小于 $m+n$ 的有序对的数量:$sum_{k=2}^{m+n1} (k1) = sum_{j=1}^{m+n2} j = frac{(m+n2)(m+n1)}{2}$。
2. 在和等于 $m+n$ 的有序对中, $(m, n)$ 排在第几个:在 $(1, m+n1), (2, m+n2), dots, (m+n1, 1)$ 这个序列中,$(m, n)$ 排在第 $m$ 个。
所以,双射函数 $f(m, n)$ 可以定义为:
$f(m, n) = frac{(m+n2)(m+n1)}{2} + m$
让我们验证一下这个函数:
$f(1,1) = frac{(1+12)(1+11)}{2} + 1 = frac{0 cdot 1}{2} + 1 = 1$
$f(1,2) = frac{(1+22)(1+21)}{2} + 1 = frac{1 cdot 2}{2} + 1 = 1 + 1 = 2$
$f(2,1) = frac{(2+12)(2+11)}{2} + 2 = frac{1 cdot 2}{2} + 2 = 1 + 2 = 3$
$f(1,3) = frac{(1+32)(1+31)}{2} + 1 = frac{2 cdot 3}{2} + 1 = 3 + 1 = 4$
$f(2,2) = frac{(2+22)(2+21)}{2} + 2 = frac{2 cdot 3}{2} + 2 = 3 + 2 = 5$
$f(3,1) = frac{(3+12)(3+11)}{2} + 3 = frac{2 cdot 3}{2} + 3 = 3 + 3 = 6$
这个函数确实将 $N imes N$ 中的所有元素映射到了 $N$ 中的不同自然数,并且没有遗漏。因此,$N imes N$ 是可数的,并且它的基数(势)与 $N$ 相同,记作 $aleph_0$(阿列夫零)。
定理: 如果 $A$ 和 $B$ 是可数集,那么它们的笛卡尔积 $A imes B$ 也是可数集。并且 $|A imes B| = |A| cdot |B|$。
既然 $N$ 是可数集,那么根据上述定理,$N imes N$ 也是可数集,并且 $|N imes N| = |N| cdot |N| = aleph_0 cdot aleph_0 = aleph_0$。
现在我们回过头来看我们的目标集合:$(N imes N) imes (N imes N)$。
这个集合的元素形式是 $((a, b), (c, d))$。我们可以将其理解为一个有序对,其中第一个分量是 $(a, b) in N imes N$,第二个分量是 $(c, d) in N imes N$。
所以,我们的集合实际上是 $(N imes N)$ 和 $(N imes N)$ 的笛卡尔积。
令 $S = N imes N$。那么我们要讨论的集合就是 $S imes S$。
我们已经知道,$S = N imes N$ 是可数的,即 $|S| = aleph_0$。
根据同样的定理,如果 $S$ 是可数集,那么 $S imes S$ 也是可数集,并且 $|S imes S| = |S| cdot |S| = aleph_0 cdot aleph_0 = aleph_0$。
因此,集合 $(N imes N) imes (N imes N)$ 是可数集。
它到 $N$ 的双射函数是什么?
既然我们知道 $(N imes N) imes (N imes N)$ 和 $N$ 是等势的(都是 $aleph_0$),我们可以尝试构造一个双射函数。
我们已经有一个从 $N imes N$ 到 $N$ 的双射函数 $f(m, n) = frac{(m+n2)(m+n1)}{2} + m$。
现在,我们要处理的是形如 $p = ((a, b), (c, d))$ 的元素。
我们可以将 $p$ 看作是两个 $N imes N$ 中的元素的有序对。
让 $x = (a, b)$ 和 $y = (c, d)$。那么 $p = (x, y)$。
我们可以利用已经建立的从 $N imes N$ 到 $N$ 的双射函数 $f$。
我们可以先将 $x = (a, b)$ 映射到一个自然数 $f(x) = f(a, b)$。
然后,我们可以将 $y = (c, d)$ 映射到一个自然数 $f(y) = f(c, d)$。
现在我们有了两个自然数:$n_1 = f(a, b)$ 和 $n_2 = f(c, d)$。
我们的问题就转化为了将这个有序对 $(n_1, n_2)$(其中 $n_1, n_2 in N$)映射到一个唯一的自然数。
这正是我们上面讨论的 $N imes N$ 到 $N$ 的双射函数 $f$ 的作用。
所以,我们可以构造一个从 $(N imes N) imes (N imes N)$ 到 $N$ 的双射函数 $g$ 如下:
对于任意的 $((a, b), (c, d)) in (N imes N) imes (N imes N)$,我们定义:
$g(((a, b), (c, d))) = f(f(a, b), f(c, d))$
其中 $f(m, n) = frac{(m+n2)(m+n1)}{2} + m$ 是我们之前定义的从 $N imes N$ 到 $N$ 的双射。
让我们来分解一下这个过程,以便更清晰地理解:
1. 输入: 一个四元组的自然数 $(a, b, c, d)$,它对应于集合中的元素 $((a, b), (c, d))$。
2. 第一步: 将内部的两个 $N imes N$ 元素分别通过函数 $f$ 映射到自然数。
$(a, b) xrightarrow{f} f(a, b) = n_1 in N$
$(c, d) xrightarrow{f} f(c, d) = n_2 in N$
3. 第二步: 将得到的两个自然数 $(n_1, n_2)$ 再次通过函数 $f$ 映射到自然数。
$(n_1, n_2) xrightarrow{f} f(n_1, n_2) = n in N$
这样,我们就得到了一个从 $((a, b), (c, d))$ 到 $n$ 的映射。
总结一下:
集合 $(N imes N) imes (N imes N)$ 是可数集。
它到自然数集 $N$ 的一个双射函数 $g$ 可以定义为:
$g(((a, b), (c, d))) = f(f(a, b), f(c, d))$
其中,$f(m, n) = frac{(m+n2)(m+n1)}{2} + m$ 是将有序对 $(m, n) in N imes N$ 映射到自然数 $N$ 的双射函数。
更进一步的理解(集合论中的势):
在集合论中,我们用“势”(cardinality)来衡量集合的大小。对于可数集,它们的势都是 $aleph_0$。
$|N| = aleph_0$
$|N imes N| = |N| cdot |N| = aleph_0 cdot aleph_0 = aleph_0$
$|(N imes N) imes (N imes N)| = |N imes N| cdot |N imes N| = aleph_0 cdot aleph_0 = aleph_0$
因此,$(N imes N) imes (N imes N)$ 的势与 $N$ 的势相同,都是 $aleph_0$。
另一个角度:康托尔对函数与三元对
实际上,我们可以更一般地来看待这个问题。我们知道:
$N$ 是可数的。
有限个可数集的笛卡尔积仍然是可数集。
例如,$N imes N imes N$ 也是可数的。它的元素是 $(a, b, c)$。我们可以将其视为 $(N imes N) imes N$。
由于 $N imes N$ 是可数的,我们就可以利用上面的论证方法,找到从 $(N imes N) imes N$ 到 $N$ 的双射。
我们可以使用康托尔(Cantor)著名的配对函数 $pi(m, n)$ 来将两个自然数配对成一个自然数,该函数是双射的:
$pi(m, n) = frac{1}{2}(m+n1)(m+n) + n$
(注意这里的定义可能略有不同,但关键在于它是一个从 $N imes N$ 到 $N$ 的双射)
如果我们使用这个配对函数,我们可以将 $((a, b), (c, d))$ 映射到 $N$:
1. 首先将 $(a, b)$ 配对成一个自然数:$n_1 = pi(a, b)$。
2. 然后将 $(c, d)$ 配对成一个自然数:$n_2 = pi(c, d)$。
3. 最后将得到的两个自然数 $n_1$ 和 $n_2$ 再配对:$pi(n_1, n_2)$。
所以,另一个双射函数 $h$ 可以是:
$h(((a, b), (c, d))) = pi(pi(a, b), pi(c, d))$
这个函数 $h$ 同样将集合 $(N imes N) imes (N imes N)$ 的元素一一对应到了自然数集 $N$ 的元素。
结论回顾:
是的,集合 $(N imes N) imes (N imes N)$ 是可数集。它与自然数集 $N$ 是等势的。我们可以通过组合 $N imes N$ 到 $N$ 的双射函数来构造从 $(N imes N) imes (N imes N)$ 到 $N$ 的双射函数。