連續統假設
 

希爾伯特

  「無限!再沒有其它的問題如此深刻地打動過人類的心靈。」,這是希爾伯特Hilbert)的名句,而所謂「連續統假設」──一個有關「無限」的問題,也在他的二十三個問題中高據首位。但甚麼是「連續統假設」(Continuum Hypothesis)呢?何以這個假設又會是一個問題?

  要說「連續統假設」,必須先說「無窮」或「無限」這個概念。人類對「無窮」基本上有兩個觀點,一種是「潛無窮」,而另一種是「實無窮」。所謂「潛無窮」可以說是由步往無窮的過程而得出的概念。例如:因為每一個自然數加以一後還是自然數,從而可知自然數的數目有無窮多個。這個無窮的概念並不是確實存在,而是透過過程和對這過程的認知來表現出來,所以稱之為「潛無窮」。相反,「實無窮」則是承認「無窮」這東西的實際存在,承認無窮集合是一個現實的、完成的、存在著的整體,是可以認識、可以掌握和抓得住的東西。

康托

  「實無窮」的奠基者就是集合論之父──康托Cantor),他也是提出「連續統假設」的人。但實無窮跟連續統有何關係呢?到此又必須說「基數」(Cardinal Number)和「超限數」(transfinite Number)的概念。所謂基數,簡而言之便是集合的元素數量;而超限數方面,簡單來說就是代表實無窮的數。當集合內只有有限個元素時是很易理解的,但當集合內有無限個元素時便需要超限數的幫助,例如:自然數集的元素數目(可數無窮,Countable Infinity),也是最小的超限數,我們稱之為「אi0」(讀Aleph-Null),其中「א是希伯萊文的第一個字母。從集合論中可知道,任何集合的冪集(Power Set)的基數都必比原本的集合的基數大,所以自然數集的冪集的基數必定是一個超限數,而且比אi0更大,由此可知「無窮」也有大小之分,且可以不斷推展,即有無窮多個不同的實無窮,而所謂「連續統」便是最小的不可數集合的基數,記為「אi1」;「連續統假設」也是由這點出發。

  從上述的理解,可數集的冪集的基數,記為「2אi0」,是比可數集的基數更大,而另一方面,我們也知道連續統的基數也必比可數集的基數大,而且

אi1≦2i0א

,那麼一個最自然不過的問題,便是「上式的等號成立還是不等號成立呢?」如果不等號成立,那麼在אi02אi0之間會有多少個實無窮的基數存在呢?

  1878年,康托在一篇論文中作出了一個猜想,他想上式的等號是成立的,即

אi1=2i0א

在《關於無窮線性點集(6)》中他提及到上述猜想是可以被證明的。據說,他曾聲稱經已證明這等式,但始終他沒有把這證明公布,相信是他發現了該證明尚有錯誤之原故。而現在人們稱康托的這猜想為「連續統假設」(Continuum Hypothesis),縮寫為「CH」。

豪斯道夫

  1908年,豪斯道夫(Hausdorff)提出另一種的說法,即對某些序數α來說

2אi0=אiα

,而現在人們則稱豪斯道夫的這猜想為「廣義連續統假設」(Generalized Continuum Hypothesis)。

   
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參考書目:
1. 張錦文、王雪生著,《連續統假設》,九章出版社,台灣,1993。
2. K. T. Leung,Doris L. C. Chen,《Elementary Set Theory》,Hong Kong University Press,Hong Kong,1988。