選擇公理
 

  「選擇公理」(Axiom of Choice)對一般人來說,也許從來沒有聽過;即使是對唸數理科的學生來說也可能從來未接觸過,多是聽多於用。但這條「選擇公理」卻是一條困擾整個數學界多年的公理,而它的合理性方面,至今也沒有一個定論。有些人認為它是明顯之至,簡單得很。但當細味其內容及其用途時,不單發現它妙用無窮,而且會開始質疑自己對這條公理的理解程度,甚至開始懷疑這條公理的真確性。「選擇公理」便是如此的一條令人迷惑的公理,現在我們一同看看它究竟是甚麼。

  「選擇公理」有很多等價的形式(equivalent form),以下用一個較簡單的描述:

 選擇公理 設C為一個由非空集合所組成的集合。那麼,我們可以從每一個在C中的集合中,都選擇一個元素來組成一個新的集合。

為令讀者有進一步的了解,以下是一些例子:

1. 如果C為{1,2,3,…}的所有非空子集的集合,那麼,我們可以定義一個新集合,使得它的元素為每一個在C中的集合的最小元素。
2a. 如果C為所有長度有限而非零的實數區間,那麼,我們可以定義一個新集合,使得它的元素為每一個C中的區間的中間點。

看來也算是合理,但以上的例可能較數學化、較難理解,現在再用個較實在的例子,

3a. 如果在前面放了放置了幾堆蘋果。那麼,我們可以在每堆中選取一個蘋果,再把它們放在新的一堆內。

看了這個例子,可能令你更加明白,不過要留意的是所謂「幾堆」,可能是無限堆,而每堆蘋果也可能是有無限個的,那麼,可以換成

3b. 如果在前面放了放置了無限堆蘋果,而每堆蘋果也有無限個。那麼,我們可以在每堆中選取一個蘋果,再把它們放在新的一堆內。

這個便是「選擇公理」。看來也很合理,既然每一堆也是有蘋果的,當然可以在每一堆中選擇一個蘋果出來,不論每堆的蘋果數目的多少,和堆數的多少,「應該」也能做到。

  但在這堆蘋果中,究竟選擇那一個呢?或許有人會說:「隨便一個便可!」但甚麼是「隨便」呢?可否具體點陳述出來呢?這個「隨便」的方法是否必然存在呢?如果數學化點看問題,根據「選擇公理」,

2b. 如果C為所有長度非零的實數區間,那麼,我們可以定義一個新集合,使得它的元素為每一個C中的區間中的點。

如果仔細的看2b,「每一個C中的區間中的點」,那一點呢?最大的那一點?最小的那一點?中間的那一點?通通也不存在,因為「長度非零的實數區間」是包括了長度無限的區間,那便可能沒有了所謂「最大」、「最小」或「中間」等概念。那麼,如何具體地陳述出方法呢?這個方法會不會不存在呢?

  可能有人認為,即使是不能陳述出方法,也不能否定或放棄這公理,因為在數學上有很多「存在性定理」(Existence Theorems),都是只指出某事件的存在性,而不能具體描述尋求的方法,例如:中值定理(Mean Value Theorem)及洛爾定理(Rolle's Theorem),都是已證明是真確的存在性定理,所以只要能證明這公理是真確,便可以繼續使用。

  另外,不能具體陳述出方法,也有可能是括限於人類在語言上的障礙,也即是說,只是不能用人類的語言表達而已,正如最偉大的文學家,也只是用他們認為最適當的語句來表達,可能受到語言限制,不能完全反映他們內心的思想,正所謂「不能言喻」。

  但「選擇公理」當然不是這般簡單,它的不可思議,它的奇妙用法,以及它所導至的結果,到現在才是開始。

   
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參考書目:
1. N. YA. Vilenkin著、李鍾蓀譯,《集的故事》,商務印書館,香港,1988。
2. K. T. Leung,Doris L. C. Chen,《Elementary Set Theory》,Hong Kong University Press,Hong Kong,1988。