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数学 / 康托尔集合论论文选 / 从清单里造出清单外

对角线方法

Ueber eine elementare Frage der Mannigfaltigkeitslehre, Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung 1, 1891, 75-78。原文用两个符号构成无限序列;本站用 0/1 做等价示意。

定义 6

对角线方法 是从第 n 行取第 n 位,再逐位改造,得到与每一行都不同的新对象。

A complete list of all binary sequences can always be defeated by its own diagonal.

任何声称列尽所有二值序列的清单,都会被自己的对角线击穿。

这个证明短,是因为它不试图“找清单里漏了什么”,而是直接用清单本身制造漏项。新序列第 n 位故意不同于第 n 行第 n 位,所以它不可能等于第 n 行。

a11=0 a12=1 a13=1 a14=0 a21=1 a22=1 a23=0 a24=1 a31=0 a32=0 a33=0 a34=1 a41=1 a42=0 a43=1 a44=1 b1=1 b2=0 b3=1 b4=0
fig-diagonal

Diagonal construction marks one entry in each listed sequence and flips it to build a new sequence.

对角线构造从每一行取一个格点,再逐个翻转,得到不在清单中的新序列。

第1位

第2位

第3位

第4位

E10110
E21101
E30001
E41011
B1010

B 的每一位都和对应行的对角位相反。

只看表格,为什么 B 不可能等于 E3?

B 的第 3 位是 1,而 E3 的第 3 位是 0。两个无限序列只要有一位不同,就不是同一个序列。

分步证明Step-by-step proof
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  1. 反设所有二值无限序列都已列成 E1, E2, E3, ...。

  2. 取第 n 行第 n 位,组成对角线。

  3. 把对角线每一位翻转,得到新序列 B。

  4. B 和第 n 行在第 n 位不同,因此 B 不等于任何 En。反设失败。

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。