这是一个关于集合论中一个核心概念的问题:所有集合的势是否可比较大小? 答案是:是的,所有集合的势都可比较大小。
要详细解释这一点,我们需要深入了解以下几个关键概念:
1. 集合 (Set): 集合是数学中最基本也是最重要的概念之一。它是一堆对象的汇集,这些对象被称为集合的元素 (element)。集合中的元素没有顺序,也没有重复。例如,{1, 2, 3} 和 {3, 1, 2} 是同一个集合。
2. 势 (Cardinality): 集合的势是指集合中元素的“数量”。对于有限集合,势就是我们通常意义上的元素个数。例如,集合 A = {苹果, 香蕉, 橙子} 的势是 3。
对于无限集合,势的概念更加复杂,它不是一个简单的计数,而是用来描述无限集“大小”的一种度量。例如,自然数集合 N = {0, 1, 2, 3, ...} 的势是无限的,我们记作 $aleph_0$ (读作 alephnull 或 alephzero)。
3. 比较集合大小(势)的标准: 如何比较两个集合(尤其是无限集合)的大小呢?最直观的、也是最核心的标准是 一一对应 (onetoone correspondence) 或称为 双射 (bijection)。
双射: 如果存在一个函数 f 从集合 A 到集合 B,并且这个函数是单射 (injective)(不同的元素映射到不同的元素,即如果 f(a1) = f(a2),则 a1 = a2)并且是满射 (surjective)(B 中的每一个元素都至少被 A 中的一个元素映射到,即对于 B 中的任意元素 b,都存在 A 中的元素 a,使得 f(a) = b),那么我们就说 A 和 B 之间存在一个双射。
势的定义: 两个集合 A 和 B 的势相等(记作 $|A| = |B|$)当且仅当存在一个从 A 到 B 的双射。
“小于或等于”的定义: 集合 A 的势小于或等于集合 B 的势(记作 $|A| le |B|$)当且仅当存在一个从 A 到 B 的单射。换句话说,如果 A 的元素可以被“放入”B 的元素中,并且不产生重复的映射,那么 A 的势就小于或等于 B 的势。
4. 良序定理 (WellOrdering Theorem): 这是证明所有集合势可比较大小的关键工具。良序定理是集合论的公理之一(尽管它与选择公理等价,有时会被视为选择公理的推论)。
良序 (Wellordering): 一个集合 S 上的一个顺序关系 ≤ 被称为良序,如果满足以下三个条件:
1. 自反性 (Reflexivity): 对于 S 中的任意元素 a,a ≤ a。
2. 反对称性 (Antisymmetry): 对于 S 中的任意元素 a 和 b,如果 a ≤ b 且 b ≤ a,则 a = b。
3. 传递性 (Transitivity): 对于 S 中的任意元素 a, b, c,如果 a ≤ b 且 b ≤ c,则 a ≤ c。
4. 良序性 (Wellfoundedness): S 的任何非空子集都有一个在关系 ≤ 下最小的元素。
良序定理的内容: 良序定理陈述的是:每一个集合都存在一个良序。 也就是说,对于宇宙中的任何一个集合 S,我们都可以为它定义一个顺序关系 ≤,使得 S 在这个顺序下成为一个良序集。
5. 康托尔定理 (Cantor's Theorem) 和康托尔伯恩斯坦施泰因定理 (CantorBernsteinSchroeder Theorem, CBS Theorem):
康托尔定理: 对于任何集合 A,其幂集 P(A)(即所有 A 的子集的集合)的势严格大于 A 的势,即 $|A| < |P(A)|$。这表明存在不同大小的无限集合(例如,实数的势大于自然数的势)。
康托尔伯恩斯坦施泰因定理 (CBS Theorem): 这是最直接回答我们问题的定理。它陈述的是:如果存在一个从 A 到 B 的单射,并且存在一个从 B 到 A 的单射,那么存在一个从 A 到 B 的双射(即 $|A| = |B|$)。 换句话说,如果 $|A| le |B|$ 且 $|B| le |A|$,那么 $|A| = |B|$。
现在,我们来把这些概念串联起来,回答为什么所有集合的势都可比较大小:
1. 选择公理 (Axiom of Choice) 和良序定理: 假设我们接受集合论的ZFC公理系统(包含选择公理)。正如前面提到的,良序定理是ZFC系统中的一个定理(与选择公理等价)。这意味着,对于宇宙中的任何集合 S,我们都可以为它定义一个良序 ≤。
2. 利用良序来定义势的比较: 现在,考虑任意两个集合 A 和 B。根据良序定理,我们可以为 A 定义一个良序 $le_A$,为 B 定义一个良序 $le_B$。
情况一:A 或 B 是有限集合。 如果 A 是有限集合,其势就是元素的个数。我们可以直接比较它们的个数。
情况二:A 和 B 都是无限集合。 这是关键。由于我们可以为 A 和 B 分别定义良序,这使得我们可以在抽象层面上“排列”它们的元素。
3. 证明 $|A| le |B|$ 或 $|B| le |A|$: 集合论中有一个重要的结果(它也依赖于选择公理或良序定理),即任何两个集合 A 和 B,必然满足 $|A| le |B|$ 或 $|B| le |A|$ 中的一个成立。 这个结果的证明比较复杂,但其核心思想是,通过良序,我们可以“尝试”从 A 映射到 B,或者从 B 映射到 A,并利用良序的性质来保证能够找到单射。
简化的直观理解:想象你有一个可以无限往后数的“计数器”,并且你可以用它来标记集合的元素。如果一个集合的元素可以被这个计数器标记到,它就是可数的(像自然数一样)。对于任意集合,良序定理保证了我们可以“制造”一个这样的计数器来标记它。通过比较这些“计数器”能到达的“程度”,我们就能比较它们的势。
更严谨地说,设我们已经对 A 和 B 分别进行了良序化,得到了有序对 $(A, le_A)$ 和 $(B, le_B)$。然后我们可以证明,必然存在一个从 $(A, le_A)$ 到 $(B, le_B)$ 的序同构(order isomorphism),或者从 $(B, le_B)$ 到 $(A, le_A)$ 的序同构。序同构是一种特殊的双射,它保持了顺序关系。如果存在一个序同构从 A 到 B,那么它们之间就存在一个双射,所以 $|A| = |B|$。更重要的是,即使没有序同构,我们也可以证明必然存在一个从 A 到 B 的单射(或者反之)。
4. 应用康托尔伯恩斯坦施泰因定理 (CBS Theorem):
一旦我们证明了对于任意集合 A 和 B,必然有 $|A| le |B|$ 或 $|B| le |A|$,
再结合 CBS 定理(如果 $|A| le |B|$ 且 $|B| le |A|$,则 $|A| = |B|$)。
我们可以这样推理:
对于任意集合 A 和 B,我们知道 $|A| le |B|$ 或者 $|B| le |A|$。
假设 $|A| le |B|$ 成立。 这意味着存在一个从 A 到 B 的单射 $f: A o B$。
然后,我们也可以证明,必然存在一个从 B 到 A 的单射 $g: B o A$。 这一步也是依赖于良序定理或选择公理的。
有了这两个单射后,根据 CBS 定理,我们就可以得出结论:$|A| = |B|$。
等等,这里可能有个误解。 我上面提到“必然存在一个从 B 到 A 的单射”是为了应用CBS定理,但如果我们的目标只是证明可比较性,那只需要证明 $|A| le |B|$ 或 $|B| le |A|$ 之一成立即可。
所以,核心在于证明:对于任意集合 A 和 B,必然存在一个从 A 到 B 的单射,或者存在一个从 B 到 A 的单射。
证明过程(简述,依赖于良序定理):
1. 令 A 和 B 是任意集合。
2. 根据良序定理,存在良序 $le_A$ 作用于 A,以及良序 $le_B$ 作用于 B。
3. 考虑从 $(A, le_A)$ 到 $(B, le_B)$ 的所有序保持单射(严格递增函数)。
4. 通过巧妙的构造(利用良序的“下一元素”概念和良序定理的传递性),可以证明以下两种情况之一必然发生:
存在一个从 A 到 B 的序保持单射。这直接意味着 $|A| le |B|$。
存在一个从 B 到 A 的序保持单射。这直接意味着 $|B| le |A|$。
换句话说,通过为任何集合赋予良序,我们就可以在抽象的层面上对它们进行“排序”和“计数”,从而能够比较它们的“大小”(势)。
总结:
是的,所有集合的势都可比较大小。这是集合论中的一个基本结果,被称为序数的可比性定理 (Theorem on Comparability of Cardinal Numbers)。这个定理的证明依赖于选择公理 (Axiom of Choice) 或等价的良序定理 (WellOrdering Theorem)。
势的定义: 我们使用双射来定义集合势的相等性,使用单射来定义势的大小关系($|A| le |B|$ 当且仅当存在从 A 到 B 的单射)。
良序定理的作用: 良序定理保证了任何集合都可以被良序化。
可比性的证明: 通过为任意两个集合 A 和 B 分别赋予良序,可以证明必然存在一个从 A 到 B 的单射,或者存在一个从 B 到 A 的单射。这意味着 $|A| le |B|$ 或 $|B| le |A|$ 至少有一个成立。
康托尔伯恩斯坦施泰因定理: CBS 定理进一步保证了,如果存在从 A 到 B 的单射,并且存在从 B 到 A 的单射,那么 $|A| = |B|$。
因此,对于宇宙中的任何两个集合 A 和 B,它们的势 $|A|$ 和 $|B|$ 必定满足 $|A| < |B|$、$|A| = |B|$ 或 $|A| > |B|$ 中的一种关系。它们总是可比较的。
需要注意的一点:
这个结论(所有集合的势都可比较)是建立在接受ZFC公理系统,尤其是选择公理(或等价的良序定理)的基础上的。在不接受选择公理的集合论系统中,这个结论可能不成立(尽管大部分数学家在进行集合论研究时都会接受ZFC)。