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数学 / cardinality

基数

基数通过一一对应衡量集合的大小,将通常的计数推广到无限集合,并区分不同大小的无穷。

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在数学中,基数表示集合的大小,记作 ∣A∣|A| 或 card⁡(A)\operatorname{card}(A)。对于有限集合,基数就是其中不同元素的个数。对于无限集合,则通过一一对应而非通常的计数来定义其大小。两个集合的基数相等,当且仅当它们之间存在双射函数。基数是集合论的核心概念,使人们能够比较无限集合的大小,并揭示无穷并非只有一种大小。(plato.stanford.edu)

定义与比较

双射 f:A→Bf:A\to B 将 AA 中的每个元素与 BB 中恰好一个元素配对,既无重复,也无遗漏。存在这种对应的集合称为等势集合。这一概念定义了一种等价关系:每个集合都与自身等势,而且等势关系具有对称性和传递性。空集的基数为 00;与 {0,…,n−1}\{0,\ldots,n-1\} 等势的集合,其基数为 nn。集合中元素的具体身份不影响集合的大小。(plato.stanford.edu)

基数的比较通过单射函数来定义:

∣A∣≤∣B∣⟺存在单射 A→B.|A|\leq |B| \quad\Longleftrightarrow\quad \text{存在单射 }A\to B.

因此,子集的基数不会大于包含它的集合的基数。严格不等意味着存在这样的单射,但不存在双射。施罗德—伯恩斯坦定理指出,如果两个方向上都存在单射,则两个集合的基数相等。这一定理常常使我们无须明确构造双射,就能证明基数相等。该定理不需要选择公理。(cs.cornell.edu)

有限集合与可数无限集合

无限的可数集与自然数集具有相同的基数,记作 ℵ0\aleph_0,读作“阿列夫零”。其元素可以列为 a0,a1,a2,…a_0,a_1,a_2,\ldots,且每个元素恰好出现一次。“可数”通常也包括有限集合,不过不同文献的术语用法有所差异。(cs.cornell.edu)

整数集是可数无限集,一种列举方式为

0,1,−1,2,−2,3,−3,….0,1,-1,2,-2,3,-3,\ldots.

有理数集也是可数的。可以按分子和分母排列分数,再依照一定规则逐一遍历,同时略去重复的表示。因此,有理数在数轴上的稠密性并不意味着它们不可数。(plato.stanford.edu)

无限集合可以与自己的真子集具有相同的基数。例如,n↦2nn\mapsto2n 是从自然数集到非负偶数集的双射。这与有限集合的计数不同:从有限集合中删去一个元素,总会使其基数减小。在包含选择公理的集合论中,每个无限集合都与自身的某个真子集等势;若不采用选择公理,这一性质一般并不等价于集合是无限的。(cs.cornell.edu)

不可数性与连续统

实数集不可数。康托尔对角线论证证明,无论提出怎样的实数列举方式,都能据此构造出一个不在列表中的实数,从而确立了这一结论。实数集的基数称为连续统的基数,记作 c\mathfrak c,并满足

c=∣R∣=2ℵ0>ℵ0.\mathfrak c=|\mathbb R|=2^{\aleph_0}>\aleph_0.

它等于自然数集的所有子集所组成的集合的基数。(plato.stanford.edu)

更一般地,康托尔定理指出,每个集合的基数都严格小于其幂集的基数:

∣A∣<∣P(A)∣.|A|<|\mathcal P(A)|.

如果存在满射函数 f:A→P(A)f:A\to\mathcal P(A),那么子集 D={a∈A:a∉f(a)}D=\{a\in A:a\notin f(a)\} 就会与每一个 f(a)f(a) 都不同,从而产生矛盾。因此,反复取幂集会得到越来越大的基数;不存在最大的基数。(plato.stanford.edu)

基数与排序

在加入选择公理的策梅洛—弗兰克尔集合论中,即 ZFC 中,每个集合都可以被赋予良序。因此,一个集合的基数可以用与它等势的最小序数来表示,这个序数称为初始序数。无限基数构成阿列夫层级:

ℵ0,ℵ1,ℵ2,…,ℵα,…,\aleph_0,\aleph_1,\aleph_2,\ldots,\aleph_\alpha,\ldots,

其中,ℵ1\aleph_1 是最小的不可数基数,每个后继阿列夫数都是大于其前一个阿列夫数的最小基数。(bpb-us-e2.wpmucdn.com)

基数刻画大小,而序数刻画序型。例如,ω\omega 与 ω+1\omega+1 所表示的顺序不同,因为后者有一个末尾元素,但两者的基数都是 ℵ0\aleph_0。不采用选择公理时,仍然可以通过双射和单射来定义大小的比较,但某些集合无法被赋予良序,而且并非任意两个基数都一定可以比较。(plato.stanford.edu)

基数算术

基数加法给出不交并的大小,乘法给出笛卡尔积的大小。幂运算 κλ\kappa^\lambda 给出从一个基数为 λ\lambda 的集合到一个基数为 κ\kappa 的集合的所有函数所组成的集合的大小。对于有限基数,这些运算与通常的算术一致。在采用选择公理的情况下,当 κ\kappa 和 λ\lambda 都是无限基数时,

κ+λ=κλ=max⁡(κ,λ).\kappa+\lambda=\kappa\lambda=\max(\kappa,\lambda).

特别地,ℵ0+ℵ0=ℵ02=ℵ0\aleph_0+\aleph_0=\aleph_0^2=\aleph_0。基数算术必须与序数算术区分开来,后者的运算还反映顺序。(plato.stanford.edu)

幂运算的结果则没有得到如此完整的确定。尽管康托尔定理给出 2κ>κ2^\kappa>\kappa,它却没有指明 2κ2^\kappa 究竟是哪一个更大的基数。连续统假设断言 2ℵ0=ℵ12^{\aleph_0}=\aleph_1,等价地说,不存在严格介于自然数集与实数集的基数之间的基数。哥德尔于 1938 年得到的相容性结果和科恩于 1963 年得到的独立性结果表明,如果 ZFC 是相容的,那么它既不能证明这一假设,也不能证明其否定。广义连续统假设将这一断言推广到每个无限基数:2κ=κ+2^\kappa=\kappa^+,其中 κ+\kappa^+ 是大于 κ\kappa 的下一个基数。(plato.stanford.edu)