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数学 / 康托尔集合论论文选 / 区间套版本的不可列尽

实数不可数

1874 年证明不是后来最常见的对角线证明,而是用嵌套区间避开给定序列。

定义 4

区间套证明 的目标是给定任意实数列,构造一个不在其中的实数。

No sequence can exhaust all real numbers in an interval.

没有一个序列能穷尽一个区间里的所有实数。

康托尔从一个假设清单出发,逐步选更小闭区间,让第 n 步的区间避开清单中的第 n 个数。闭区间一层套一层,最后留下的点没有出现在原清单里。

a1 b1 a2 b2 a3 b3 x
fig-nested-intervals

Nested intervals keep one interval inside the previous one.

区间套每一步把候选点逼进更小的闭区间。

若清单前三项是 r1, r2, r3,怎样让新区间依次避开它们?

先在原区间内选一个闭子区间不含 r1;再在其中选更小闭子区间不含 r2;第三步再避开 r3。只要每步留出非空闭区间,最后候选点就不可能等于任意 rn。

分步证明Step-by-step proof
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  1. 假设某个实数列 r1, r2, r3, ... 已列出区间内所有实数。

  2. 第 1 步选一个闭子区间避开 r1。

  3. 第 n 步在前一区间内部选更小闭区间,避开 rn。

  4. 嵌套区间留下的点不等于任何 rn,因此原清单不完整。

与戴德金切割 dedekind-cuts/overview、希尔伯特公理化 hilbert-grundlagen/overview、基础危机专题 math-meta/topic-foundations-crisis 和公理化运动专题 math-meta/topic-axiomatic-movement-deepening 对读。