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一. 集合论的诞生 集合论是德国著名数学家康托于19世纪末创立的。十七世纪,数学中出现了一门新的分支:微积分。在之后的一二百年中这一崭新学科获得了飞速发展并结出了丰硕成果。其推进速度之快使人来不及检查和巩固它的理论基础。十九世纪初,许多迫切问题得到解决后,出现了一场重建数学基础的运动。正是在这场运动中,康托开始探讨了前人从未碰过的实数点集,这是集合论研究的开端。到1874年康托开始提出“集合”的概念。他对集合所下的定义是:把若干确定的有区别的(不论是具体的或抽象的)事物合并起来,看作一个整体,就称为一个集合,其中各事物称为该集合的元素。人们把康托于1873年12月7日给戴德金的信中最早提出集合论思想的那一天定为集合论诞生日。 数学分析的发展必然涉及到无穷过程,无穷小和无穷大这些无穷概念。在18世纪,由于无穷概念没有精确的定义,使微积分理论不仅遇到严重的逻辑困难,而且还使实无穷概念在数学中信誉扫地。19世纪上半叶,柯西给出了极限概念的精确描述。在这基础上建立起连续、导数、微分、积分以及无穷级数的理论。正是这19世纪发展起来的极限理论相当完美的解决了微积分理论所遇到的逻辑困难。但是,柯西并没有彻底完成微积分的严密化。柯西思想有一定的模糊性,甚至产生逻辑矛盾。19世纪后期的数学家们发现使柯西产生逻辑矛盾的问题的原因在奠定微积分基础的极限概念上。严格地说柯西的极限概念并没有真正地摆脱几何直观,确实地建立在纯粹严密的算术的基础上。于是,许多受分析基础危机影响的数学家致力与分析的严格化。在这一过程中,都涉及到对微积分的基本研究对象─连续函数的描述。在数与连续性的定义中,有涉及关于无限的理论。因此,无限集合在数学上的存在问题又被提出来了。这自然也就导致寻求无限集合的理论基础的工作。总之,为寻求微积分彻底严密的算术化倾向,成了集合论产生的一个重要原因。 二.集合论的建立 集合论里的中心,难点是无穷集合这个概念本身。从希腊时代以来,无穷集合很自然地引起数学家们和哲学家们的注意。而这种集合的本质以及看来是矛盾的性质,很难象有穷集合那样来把握它。所以对这种集合的理解没有任何进展。早在中世纪,人们已经注意到这样的事实:如果从两个同心圆出发画射线,那么射线就在这两个圆的点与点之间建立了一一对应,然而两圆的周长是不一样的。16世纪,伽俐略还举例说,可以在两个不同长的线段ab与cd之间建立一一对应,从而想象出它们具有同样的点。 康托认为,一个无穷集合能够和它的部分构成一一对应不是什么坏事,它恰恰反应了无穷集合的一个本质特征。对康托来说,如果一个集合能够和它的一部分构成一一对应,它就是无穷的。它定义了基数,可数集合等概念。并且证明了实数集是不可数的,代数数是可数的。康托最初的证明发表在1874年的一篇题为《关于全体实代数数的特征》的文章中,它标志着集合论的诞生。
随着实数不可数性质的确立,康托又提出一个新的,更大胆的问题。1874年,他考虑了能否建立平面上的点和直线上的点之间的一一对应。从直观上说,平面上的点显然要比线上的点要多得多。康托自己起初也是这样认识的。但三年后,康托宣布:不仅平面和直线之间可以建立一一对应,而且一般的 最能显示出他独创性的是他对无穷集元素个数问题的研究。他提出用一一对应准则来比较无穷集元素的个数。他把元素间能建立一一对应的集合称为个数相同,用他自己的概念是等势。由于一个无穷集可以与它的真子集建立一一对应关系――也就是说无穷集可以与它的真子集等势,即具有相同的个数。这与传统观念“全体大于部分”相矛盾。而康托认为这恰恰是无穷集的特征。在此意义上,自然数集与正偶数集具有了相同的个数,他将其称为可数集。又可容易地证明有理数集与自然数集等势,因而有理数集也是可数集。后来当他又证明了代数数集合也是可数集时,一个很自然的想法是无穷集是清一色的,都是可数集。但出乎意料的是,他在1873年证明了实数集的势大于自然数集。这不但意味着无理数远远多于有理数,而且显然庞大的代数数与超越数相比而言也只成了沧海一粟,如同有人描述的那样:“点缀在平面上的代数数犹如夜空中的繁星;而沉沉的夜空则由超越数构成。”而当他得出这一结论时,人们所能找到的超越数尚仅有一两个而已。这是何等令人震惊的结果!从上述结论中康托意识到无穷集之间存在着差别,有着不同的数量级,可分为不同的层次。他所要做的下一步工作是证明在所有的无穷集之间还存在着无穷多个层次。他取得了成功,并且根据无穷性有无穷种的学说,对各种不同的无穷大建立了一个完整的序列,他称为“超限数”。他用希伯莱字母表中第一个字母“阿列夫”来表示超限数的精灵,最终他建立了关于无限的所谓阿列夫谱系 ,它可以无限延长下去。就这样他创造了一种新的超限数理论,描绘出一幅无限王国的完整图景。可以想见这种至今让我们还感到有些异想天开的结论在当时会如何震动数学家们的心灵了。毫不夸张地讲,康托的关于无穷的这些理论,引起了反对派的不绝于耳的喧嚣。他们大叫大喊地反对他的理论。有人嘲笑集合论是一种“疾病”,有人嘲讽超限数是“雾中之雾”,称“康托走进了超限数的地狱”。作为对传统观念的一次大革新,由于他开创了一片全新的领域,提出又回答了前人不曾想到的问题,他的理论受到激烈地批驳是正常的。 三、集合论的发展
然而集合论前后经历二十余年,最终获得了世界公认。到二十世纪初集合论已得到数学家们的赞同。数学家们为一切数学成果都可建立在集合论基础上的前景而陶醉了。他们乐观地认为从算术公理系统出发,借助集合论的概念,便可以建造起整个数学的大厦。在1900年第二次国际数学大会上,著名数学家庞加莱就曾兴高采烈地宣布:“……数学已被算术化了。今天,我们可以说绝对的严格已经达到了。”然而这种自得的情绪并没能持续多久。不久,集合论是有漏洞的消息迅速传遍了数学界。这就是1902年罗素得出的罗素悖论。罗素构造了一个所有不属于自身(即不包含自身作为元素)的集合 四.对康托集合论的不同评价
康托的集合论是数学上最具有革命性的理论。他处理了数学上最棘手的对象---无穷集合。因此,他的发展道路也自然很不平坦。他抛弃了一切经验和直观,用彻底的理论来论证,因此他所得出的结论既高度地另人吃惊,难以置信,又确确实实,毋庸置疑。数学史上没有比康托更大胆的设想和采取的步骤了。因此,它不可避免地遭到了传统思想的反对。 集合论最激烈的反对者是克罗内克,他认为只有他研究的数论及代数才最可靠。因为自然数是上帝创造的,其余的是人的工作。他对康托的研究对象和论证手段都表示强烈的反对。由于柏林是当时的数学中心,克罗内克又是柏林学派的领袖人物,所以他对康托及其集合论的发展前途的阻碍作用是非常大的。另一位德国的知觉主义者魏尔认为,康托把无穷分成等级是雾上之雾。法国数学界的权威人物庞加莱曾预言:“后一代将把(康托的)集合论当作一种疾病”等等。由于两千年来无穷概念带来的困难,也由于反对派的权威地位,康托的成就不仅没有得到应有的评价,反而受到排斥。1891年,克罗内克去世之后,康托的处境开始好转。 另一方面,许多大数学家支持康托的集合论。除了戴德金以外,瑞典的数学家米大格---列夫勒在自己创办的国际性数学杂志上把康托的集合论的论文用法文转载,从而大大促进了集合论在国际上的传播。1897年在第一次国际数学家大会上,霍尔维次在对解析函数的最新进展进行概括时,就对康托的集合论的贡献进行了阐述。三年后的第二次国际数学大会上,为了捍卫集合论而勇敢战斗的希尔伯特又进一步强调了康托工作的重要性。他把连续统假设列为20世纪初有待解决的23个主要数学问题之首。希尔伯特宣称:“没有人能把我们从康托为我们创造的乐园中驱逐出去。”特别自1901年勒贝格积分产生以及勒贝格的测度理论充实了集合论之后,集合论得到了公认,康托的工作获得崇高的评价。1904年,当第三次国际数学大会于召开时,“现代数学不能没有集合论”已成为大家的看法。康托的声望已经得到举世公认。 五.集合论的意义
集合论是现代数学中重要的基础理论。它的概念和方法已经渗透到代数、拓扑和分析等许多数学分支以及物理学和质点力学等一些自然科学部门,为这些学科提供了奠基的方法,改变了这些学科的面貌。几乎可以说,如果没有集合论的观点,很难对现代数学获得一个深刻的理解。所以集合论的创立不仅对数学基础的研究有重要意义,而且对现代数学的发展也有深远的影响。
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