Home
Вне времени - Существуют ли числа на самом деле ? [entries|archive|friends|userinfo]

[ userinfo | livejournal userinfo ]
[ archive | journal archive ]

Links
[Links:| Music Science Religion Photo Movies Vampires Politics Girls ]

Существуют ли числа на самом деле ? [Июн. 10, 2006|05:11 pm]
Previous Entry в избранное рассказать другу Next Entry
[Tags|]



В 198... не помню каком году, я любил ездить к своему другу на Черную Речку. Питер, зима, темно... по дороге в его хрущевку я заходил в магазин на углу, где социалистический выбор продуктов, как правило, ограничивался сушками и конфетами "Старт". Однако я не переживал тогда по этому поводу, так как был весь в предвкушении высшего наслаждения: интеллектуального общения. Друг выкатывал поднос, заваривал чай, который выпивался в количестве пяти, а то и десяти чашек, и мы говорили, говорили, говорили... И чтото в этом было от моего любимого произведения Стругакцих "За миллиард лет до конца света" - маленькая кухня, снег за окном и Вселенная

Один из вопросов, который я задал тогда, который так и остался без ответа, был такой: Существуют ли числа на самом деле, как нечто внешнее и независимое от человека, или это лишь плод нашего ума и способ мышления, присущий homo sapiens? Иначе, существуют ли числа объективно или субъективно?

Только через много лет я приблизился к ответу, хотя это и не является окончательным ответом. Продолжим рассуждения о Теореме Геделя (первой). Итак, в аксиоматике Пеано (P) есть утверждение, истинное и недоказуемое, A1. Мы его можем принять в качестве новой аксиомы, получив теорию (P + A1). Однако, можем принять и отрицание утверждения A1, not A1, как аксиому. Это не приведет к противоречию: ведь A1 и not A1 не доказуемы в P. Итак, мы получили две разные теории: (P + A1) и (P + not A1):



Эквивалентны ли эти теории ? Так как A1 на самом деле истинно, то принимая в качестве аксиомы его отрицание, мы получаем плохую теорию, которая является W-противоречивой. Это слабая, нефатальная противоречивость, но достаточно неприятная: в такой теории может оказаться что для любого N доказуемо F(N), но FORALL N: F(N) опровергаемо, что противоречит нашему интуитивному представлению о числах (хотя и не делает теорию противоречивой)

От (P + A1) мы можем снова построить новое недосказуемое высказывание A2, и получим второе ветвление, только одна из ветвей которого будет хорошей, W-непротииворечивой. И так далее. Процесс можно продолжать до бесконечности (интересный вопрос, при увеличении номера итерации этого процесса растет ли также неограниченно длина самого короткого недоказуемого утверждения?)

На картинке вверху путь по белым кружкам есть наша путеводная нить. То есть утверждение может быть и недоказуемым, но на самом деле, они либо истинно либо нет.

В теории множеств же недоказуемые утверждения известны и так. Два из них я изобразил графически:


Операция 'множество всех подмножеств' создает множество с бОльшим числом элементов, бОльшей мощности. Любое конечное множество переводится в множество с большим числом элеменов, однако, счетная мощность является недостижимой: сколько не применяй вышеуказанную операцию к конечному множеству, получится только конечное множество. Счетное множество дает континуум, континуум - множество всех функций, и так далее

А вот и два недоказуемых утверждения

Обобщенная гипотеза континуума (GCH) говорит о том, что есть мощность между счетным и континуумом. 
Второе утверждение говорит о том, что есть и другие недостижимые можности, а не только счетная мощность.

Мы можем принять GCH как истину, и получить один вариант теории множеств. А можем not CGH, и получить другой вариант. А на самом деле, есть такие множества или нет ?

Кое что стало яснее, когда я размышлял о наиболее болезненной аксиоме теории множеств - AC, аксиоме выбора. С точки зрения человека она очевидна: если есть множество, то из него можно выбрать какой то элемент. На самом деле это совсем не очевидно. 

Вещественные числа могут быть обозначены строкой, например, '6.76', или '1/3', или число E 'lim(n->inf, (1+1/n)^^n)'. Сколь ни была бы сложна строка, пусть даже это целая книга, если она однозначно характеризует число, то все ok. Теперь внимание: множество всех строк счетно, а множество всех чисел - континуум. Значит, убрав из множества всех чисел все числа, описанные строками, мы почти ничего не потерям. У нас получилось множество, которое содержит бесконечное количество элементов... но ни один, ни один элемент не привести в качестве примера. 

Это множество содержит бездну чисел, столько бесцветных, столь нехарактерных, столь не имеющих индивидуальных особеннстей, что их даже не назвать. Иначе говоря, для выражения этих чисел надо передать бесконечное количество информации.Я сам придумал это множество, а потом узнал, что его ктото придумал до меня :)

Однако распространим это наблюдение на все множества мощности большей счетного. В таких множествах есть некое ядро (показано синим):


из называемых элементов, приводимых в качестве примера. Красная часть - неназываемые элементы. Когда мы доказали, что Существует элемент X такой что ..., то может оказаться, что подмножество таких элементов выглядит как в случае A или B: то есть, мы можем привести примеры таких элементов. А в случае C строка Exists... чего то там доказана, но, так как нам не дано увидеть ни одного примера, возникает чувство что нас обманули, и теория множеств - это просто игра в строки, не имеющая к реальности никакого отношения.

Как хороший пример случая C приведу парадокс Banach-Tarski: (Молодец Вики, даже по русски):



Парадокс Банаха — Тарского, или парадокс удвоения шара, говорит, что трёхмерный шар равносоставлен двум своим копиям.
Разделяя шар на конечное число частей, мы интуитивно ожидаем, что, складывая эти части вместе, можно получить только сплошные фигуры, объем которых равен объему исходного шара радиуса. Однако это справедливо только в случае, когда шар делится на части, имеющие объем.
Ввиду своей неправдоподобности, этот парадокс часто используется как довод против принятия аксиомы выбора, которая существенно используется при построении такого разбиения
ссылкаОтветить

Comments:
[User Picture]From: [info]kroopkin
2006-06-10 04:29 pm none (UTC)

(Link)

(Восхищенно) Ну ты, блин, даешь...
(Мечтательно) Как давно это было... В смысле, для меня...
А потом я свалил на диффуры. А потом - на моделирование. А потом - революция - и все! Приплыли.
:-))))))))
[User Picture]From: [info]dmitry67
2006-06-10 10:15 pm none (UTC)

(Link)

Хм. Когда я писал этот пост, то писал его для себя, просто хотел записать то, о чем в backgroundе думал долго... Как здорово, что это не осталось без ответа ! Спасибо !
[User Picture]From: [info]sovagegale
2006-06-10 09:09 pm none (UTC)

(Link)

как -то раз на кандидатском по специальности я доказала теорему о существовании проективного предела и применила потом все к теории вероятностей..... но до сих пор я не знаю был ли это глюк или нет......
только обратной дороги к тому состоянию у меня нет.... все же это было измененное состояние.... я находилась в эйфории.... и все числа были едины, что ноль что единица, и все мощности достижимы, а теории стройны и непротивуречивы....
[User Picture]From: [info]dmitry67
2006-06-10 10:17 pm none (UTC)

(Link)

Ну, за то чтобы все мощности были достижимы ! (а хороший тост получился, а) ?
[User Picture]From: [info]garvej
2006-06-13 10:53 pm none (UTC)

(Link)

Обобщенная гипотеза континуума (GCH) говорит о том, что есть мощность между счетным и континуумом.

Тут неточность. Просто гипотеза континуума говорит, что между счетным множеством и континуумом нет промежуточной мощности. Обобщенная гипотеза континуума состоит в том, что 2^(алеф_k) = алеф_(k+1), т.е. 2^(алеф_k) - мощность следующая за алеф_k.

Про недостижимость тоже нужна некоторая поправка. Те кардиналы, которые нельзя получить только с помощью операции взятия "множества всех подмножеств", называются сильно предельными. Т.е. кардинал k, для которого 2^a < k для любого кардинала a < k, называется сильно предельным кардиналом. Для недостижимости нужно ещё условие регулярности (которое определяется с помощью понятия конфинальности): регулярный сильно предельный кардинал называется недостижимым.

А что такое W-(не)противоречивость?
[User Picture]From: [info]dmitry67
2006-06-14 07:57 am none (UTC)

(Link)

1. Про GCH - да, Вы правы конечно
2. А что такое условие регулярности ?

W-непротиворечивость (по одной из книжек),
Если в теории для любого n выводимо A(#n)
То не должно быть выводимо Exists n : not A(n)

Ну например, если бы теорема бырма была бы недоказуема, хотя все частные случаи n были бы доказуемые, то принятие отрицания этой теоремы не приводило бы к противоречию, но делало бы теорию W-противоречивой
[User Picture]From: [info]garvej
2006-06-15 02:39 am none (UTC)

(Link)

А что такое условие регулярности?

http://planetmath.org/encyclopedia/cofinality.html
Ещё можно посмотреть в книге Александрова "Введение в теорию множеств и общую топологию".

Регулярный кардинал - это кардинал m, который не представим в виде суммы меньших чем m кардинальных чисел, взятых в числе < m. Пример - алеф_1. алеф_1 не может быть представлен в виде суммы кардиналов ≤ алеф_0, взятых в количестве ≤ алеф_0 (сумма счётного числа счётных множеств счётна)

Пример кардинала не являющегося регулярным - алеф_омега.
алеф_омега = алеф_0 + алеф_1 + алеф_2 + ...
(в сумме все кардиналы меньше алеф_омега, а их количество равно алеф_0)
From: (Anonymous)
2006-07-16 07:59 pm none (UTC)

(Link)

> Значит, убрав из множества всех чисел все числа, описанные строками,
> мы почти ничего не потерям.
Тут есть один интересный момент. Описание числа при помощи строки предполагает определенное соглашение, как такую строку интерпретировать. Имея одну и ту же сторку, можно получить всевозможные числа, переходя от одной интерпретации к другой. Я хочу сказать, что множество всех возможных строк имеет смысл считать счетным, только если мы зафиксируем формальную систему, в которой работаем.

Потом, почему мы допускаем счетное количество строк, в то время как длину каждой строки ограничиваем только конечным числом символов?
[User Picture]From: [info]dmitry67
2006-07-17 07:03 am none (UTC)

(Link)

1. Согласен, формальная система считается выбранной до начала этих рассуждений

2. Потому что строку бесконечной длины не привести в качестве примера, так как ее не записать за конечное время
[User Picture]From: [info]sowa
2006-07-19 08:18 am none (UTC)

(Link)

Мне кажется, что если внимательно посмотреть на доказательство теоремы Банаха-Тарского, то парадок полностью исчезает. В основе лежит совершенно не парадоксальное и прозрачное утверждение о свободных группах, вполне элементарных объектах. Никакая интуиция не говорит нам о том, что сколь угодно изощренные множества должны иметь определенный объем. А история показывает, что распространение понятия объема с простых множеств на более сложные давалось с большим трудом. Так что никакой врожденной интуиции объема произвольного множества у нас нет, в полном согласии с теоремой Банаха-Тарского.

Когда вы говорите о недоказуемых в теории множеств утверждениях, вы забываете сказать "в системе ZFC". Так драматичней, конечно.

Аноним выше сделал очень уместное замечание - ваши рассуждения о неназываемых числах преполагают фиксированный формальный язык. Естественный язык, на котором излагается математика, и не формален, и меняется со временем.

Наконец: вы знаете про теорему Фефермана о том, что трансфинитная итерация добавления аксиом в духе описанной выше приводит к полной системе?
[User Picture]From: [info]dmitry67
2006-07-19 09:39 am none (UTC)

(Link)

>вы знаете про теорему Фефермана о том, что трансфинитная итерация
>добавления аксиом в духе описанной выше приводит к полной системе?

Нет
Но этот вопрос вертелся у меня на языке...

Любопытно, как примерно выглядит функция

длина самой короткой недоказуемой формулы ( от N - номер итерации )

как быстро она растет...
[User Picture]From: [info]sowa
2006-07-19 09:35 pm none (UTC)

(Link)

Довольно удивительно, что эта теорема Фефермана до сих пор не попала в учебники. Первый вариант - это чуть ли не 60-й год. Хотя и результат, и весь круг вопросов (так называемые принципы отражения - добавление к системе аксиомы новых аксиом, утверждающих нашу веру в корректность системы) кажутся очень интересными.

Про функцию ничего сказать не могу; возможно, этим не занимались. Заметьте, что у этой функции область определения выходит за пределы натуральных чисел. Нужно трансфинитное число итераций, хотя и не очень большое (если я не ошибаюсь, строго меньше, чем эпсилон_0).