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1-11 Set Theory (IV): Infinity 魏恒峰 [email protected] 2019 12 17 Hengfeng Wei ([email protected]) 1-11 Set Theory (IV): Infinity 2019 12 17 1 / 49
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1-11 Set Theory (IV): Infinity

魏恒峰

[email protected]

2019 年 12 月 17 日

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SetTheory

A Branchof Math-ematics

N,R

ℵ0

ω

Foundationof Math-ematics(+ Logic)

{}(a, b)

A × BR ⊆A × B

f :

A → B

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Georg Cantor (1845 – 1918) David Hilbert (1862 – 1943)

Leopold Kronecker(1823 – 1891)

Henri Poincaré(1854 – 1912)

Ludwig Wittgenstein(1889 – 1951)

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From his paradise that Cantor with us unfolded, we hold ourbreath in awe; knowing, we shall not be expelled.

— David Hilbert

“没有人能把我们从 Cantor 创造的乐园中驱逐出去”

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“das wesen der mathematik liegt in ihrer freiheit”

“The essence of mathematics lies in its freedom”

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Before Cantor

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公理: “整体大于部分”

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Galileo Galilei (1564 – 1642) “关于两门新科学的对话” (1638)

“用我们有限的心智来讨论无限 · · · ”

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S1 = {1, 2, 3, · · · , n, · · · }

S2 = {1, 4, 9, · · · , n2, · · · }

|S1| = |S2| S2 ⊂ S1

“部分等于全体”

说到底,“等于”、“大于” 和 “小于” 诸性质不能用于无限,而只能用于有限的数量。 — Galileo Galilei

无穷数是不可能的。 — Gottfried Wilhelm Leibniz

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这些证明一开始就期望那些数要具有有穷数的一切性质,或者甚至于把有穷数的性质强加于无穷。

相反,这些无穷数,如果它们能够以任何形式被理解的话,倒是由于它们与有穷数的对应,它们必须具有完全新的数量特征。

这些性质完全依赖于事物的本性,· · · 而并非来自我们的主观任意性或我们的偏见。

— Georg Cantor (1885)

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Definition (Dedekind-infinite & Dedekind-finite (Dedekind, 1888))A set A is Dedekind-infinite if there is a bijective function from A ontosome proper subset B of A.

A set is Dedekind-finite if it is not Dedekind-infinite.

This is a theorem in our theory of infinity.

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We have not defined “finite” and “infinite”!

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Comparing Sets

Function

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Definition (|A| = |B| (A ≈ B) (1878))A and B are equipotent if there exists a bijection from A to B.

A (two abstractions)

Abstract from elements: {1, 2, 3} vs. {a, b, c}

Abstract from order: {1, 2, 3, · · · } vs. {1, 3, 5, · · · , 2, 4, 6, · · · }

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Definition (|A| = |B| (A ≈ B) (1878))A and B are equipotent if there exists a bijection from A to B.

Q : Is “≈” an equivalence relation?

Theorem (The “Equivalence Concept” of Equipotent)For any sets A, B, C:(a) A ≈ B

(b) A ≈ B =⇒ B ≈ A

(c) A ≈ B ∧B ≈ C =⇒ A ≈ C

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Definition (Finite)X is finite if

∃n ∈ N : |X| = n.

|X| = |{0, 1, · · · , n− 1}|

Theorem (UD Theorem 22.6)Let A be a finite set. There is a unique n ∈ N such thatA ≈ {0, 1, · · · , n− 1}.

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Definition (Infinite)X is infinite if it is not finite:

∀n ∈ N : |X| ̸= n.

Theorem (UD Theorem 22.3)N is infinite. (So are Z, Q, R.)

By Contradiction.

∃n ∈ N : |N| = n.

∃f : N 1−1←−→onto

{0, 1, · · · , n− 1}

g ≜ f |{0,1,...,n} : {0, 1, · · · , n} → {0, 1, · · · , n− 1}

By the Pigeonhole Principle : g is not 1-1 =⇒ f is not 1-1

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Definition (Infinite)For any set X,Countably Infinite

|X| = |N| ≜ ℵ0

Countable(finite ∨ countably infinite)

Uncountable(¬ countable)

(infinite) ∧(¬ (countably infinite)

)

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Theorem (Z is Countable.)

|Z| = |N|

0 1 − 1 2 − 2 · · ·

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Theorem (Q is Countable. (Cantor 1873-11; Published in 1874))

|Q| = |N|

|Q| = |N| (UD Problem 23.12)

q ∈ Q+ : a/b (a, b ∈ N+)

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Theorem (N× N is Countable.)

|N× N| = |N|

π : N× N→ N

π(k1, k2) = 12

(k1+k2)(k1+k2+1)+k2

Cantor Pairing Function

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Theorem (Nn is Countable.)

|Nn| = |N|

TheoremThe Cartesian product of finitely many countable sets is countable.

Nn vs. NN

π(n) : Nn → N

π(n)(k1, . . . , kn−1, kn) = π(π(n−1)(k1, . . . , kn−1), kn)

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TheoremAny finite union of countable sets is countable.

A = {an | n ∈ N} B = {bn | n ∈ N} C = {cn | n ∈ N}

a0 b0 c0 a1 b1 c1 · · ·

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TheoremThe union of countably many countable sets is countable.

Counting by Diagonals.

We need Axiom of (Countable) Choice!

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Beyond

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Theorem (R is Uncountable. (Cantor 1873-12; Published in 1874))

|R| ̸= |N|

Different “Sizes” of Infinity

Cantor’s Diagonal Argument (1890)

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Theorem (R is Uncountable. (Cantor 1873-12; Published in 1874))

|R| ̸= |N|

By Contradiction.

f : R 1−1←−→onto

N

By Diagonal Argument.Hengfeng Wei ([email protected]) 1-11 Set Theory (IV): Infinity 2019 年 12 月 17 日 29 / 49

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c ≜ |R|

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Theorem (|R| (Cantor 1877))

|(0, 1)| = |R| = |R× R| = |Rn∈N|

Proof.

f(x) = tan (2x− 1)π2

|(0, 1)| = |(−π

2,π

2)| = |R|

(x = 0.a1a2a3 · · ·, y = 0.b1b2b3 · · ·) 7→ 0.a1b1a2b2a3b3 · · ·

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Theorem (|R| (Cantor 1877))

|(0, 1)| = |R| = |R× R| = |Rn|

“Je le vois, mais je ne le crois pas !”“I see it, but I don’t believe it !”

— Cantor’s letter to Dedekind (1877).

Q : Then, what is “dimension”?

Theorem (Brouwer (Topological Invariance of Dimension))There is no continuous bijections between Rm and Rn for m ̸= n.

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Beyond

cHengfeng Wei ([email protected]) 1-11 Set Theory (IV): Infinity 2019 年 12 月 17 日 33 / 49

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Theorem (Cantor’s Theorem (1891))

|A| ̸= |P(A)|

Theorem (Cantor Theorem (ES Theorem 24.4))If f : A→ P(A), then f is not onto.

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Theorem (Cantor Theorem)If f : A→ P(A), then f is not onto.

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Theorem (Cantor Theorem)If f : A→ P(A), then f is not onto.

Understanding this problem:

A = {1, 2, 3}

P(A) ={∅, {1}, {2}, {3}, {1, 2}, {1, 3}, {2, 3}, {1, 2, 3}

}Onto

∀B ∈ P(A) :(∃a ∈ A : f(a) = B

)

Not Onto∃B ∈ P(A) :

(∀a ∈ A : f(a) ̸= B

)Hengfeng Wei ([email protected]) 1-11 Set Theory (IV): Infinity 2019 年 12 月 17 日 36 / 49

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Theorem (Cantor Theorem)If f : A→ P(A), then f is not onto.

∃B ∈ P(A) :(∀a ∈ A : f(a) ̸= B

)▶ Constructive proof (∃):

B = {a ∈ A | a /∈ f(a)}

▶ By contradiction (∀):

∃a ∈ A : f(a) = B.

Q : a ∈ B?

a ∈ B ⇐⇒ a /∈ B

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Theorem (Cantor Theorem)If f : A→ P(A), then f is not onto.

Diagonal Argument (以下仅适用于可数集合 A).

a f(a)1 2 3 4 5 · · ·

1 1 1 0 0 1 · · ·2 0 0 0 0 0 · · ·3 1 0 0 1 0 · · ·4 1 1 1 1 1 · · ·5 0 1 0 1 0 · · ·...

......

......

... · · ·

B = {0, 1, 1, 0, 1}

Hengfeng Wei ([email protected]) 1-11 Set Theory (IV): Infinity 2019 年 12 月 17 日 38 / 49

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Theorem (Cantor Theorem)

|A| < |P(A)|

A P(A) P(P(A)) . . .

There is no largest infinity.

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Definition (|A| ≤ |B|)|A| ≤ |B| if there exists an one-to-one function f from A into B.

Q : What about onto function f : A→ B?

|B| ≤ |A| (Axiom of Choice)

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Definition (|A| < |B|)|A| < |B| ⇐⇒ |A| ≤ |B| ∧ |A| ̸= |B|

|N| < |R|

|X| < |2X |

|N| < |2N|

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Definition (Countable Revisited)X is countable:

(∃n ∈ N : |X| = n) ∨ |X| = |N|

Theorem (Proof for Countable)X is countable iff

|X| ≤ |N|.

X is countable iff there exists a one-to-one function

f : X → N.

Subsets of Countable Set (UD Corollary 23.4)Every subset B of a countable set A is countable.

f : A1−1−−→ N g = f |B

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Slope (UD Problem 23.3 (a))(a) The set of all lines with rational slopes

(Q, R)

|R| ≤ |Q× R| ≤ |R× R| = |R|

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Q : Is “≤” a partial order?

Theorem (Cantor-Schröder–Bernstein (1887))

|X| ≤ |Y | ∧ |Y | ≤ |X| =⇒ |X| = |Y |

∃ one-to-one f : X → Y ∧ g : Y → X =⇒ ∃ bijection h : X → Y

Schröder–Bernsteintheorem @ wiki

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Q : Is “≤” a total order?

Theorem (PCC)Principle of Cardinal Comparability (PCC) ⇐⇒ Axiom of Choice

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Theorem (UD Theorem 24.11)

|R| = |P(N)|

|R| ≤ |P(N)| |P(N)| ≤ |R|

c ≜ |R| = |P(N)| = |2N| ≜ 2ℵ0

c = 2ℵ0

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Continuum Hypothesis (CH)

∄A : ℵ0 < |A| < c

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R Dangerous Knowledge (22:20; BBC 2007)

Independence from ZFC:

Kurt Gödel (1940) CH cannot be disproved from ZF.Paul Cohen (1964) CH cannot be proven from the ZFC axioms.

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