康托爾集合論管理研究論文

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康托爾是19世紀(jì)末20世紀(jì)初德國(guó)偉大的數(shù)學(xué)家，集合論的創(chuàng)立者。是數(shù)學(xué)史上最富有想象力，最有爭(zhēng)議的人物之一。19世紀(jì)末他所從事的關(guān)于連續(xù)性和無(wú)窮的研究從根本上背離了數(shù)學(xué)中關(guān)于無(wú)窮的使用和解釋的傳統(tǒng)，從而引起了激烈的爭(zhēng)論乃至嚴(yán)厲的譴責(zé)。然而數(shù)學(xué)的發(fā)展最終證明康托是正確的。他所創(chuàng)立的集合論被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)創(chuàng)造，集合概念大大擴(kuò)充了數(shù)學(xué)的研究領(lǐng)域，給數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)基礎(chǔ)，集合論不僅影響了現(xiàn)代數(shù)學(xué)，而且也深深影響了現(xiàn)代哲學(xué)和邏輯。

1．康托爾的生平

1845年3月3日，喬治·康托生于俄國(guó)的一個(gè)丹麥—猶太血統(tǒng)的家庭。1856年康托和他的父母一起遷到德國(guó)的法蘭克福。像許多優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家一樣，他在中學(xué)階段就表現(xiàn)出一種對(duì)數(shù)學(xué)的特殊敏感，并不時(shí)得出令人驚奇的結(jié)論。他的父親力促他學(xué)工，因而康托在1863年帶著這個(gè)目地進(jìn)入了柏林大學(xué)。這時(shí)柏林大學(xué)正在形成一個(gè)數(shù)學(xué)教學(xué)與研究的中心。康托很早就向往這所由外爾斯托拉斯占據(jù)著的世界數(shù)學(xué)中心之一。所以在柏林大學(xué)，康托受了外爾斯特拉斯的影響而轉(zhuǎn)到純粹的數(shù)學(xué)。他在1869年取得在哈勒大學(xué)任教的資格，不久后就升為副教授，并在1879年被升為正教授。1874年康托在克列勒的《數(shù)學(xué)雜志》上發(fā)表了關(guān)于無(wú)窮集合理論的第一篇革命性文章。數(shù)學(xué)史上一般認(rèn)為這篇文章的發(fā)表標(biāo)志著集合論的誕生。這篇文章的創(chuàng)造性引起人們的注意。在以后的研究中，集合論和超限數(shù)成為康托研究的主流，他一直在這方面直到1897年，過(guò)度的思維勞累以及強(qiáng)列的外界刺激曾使康托患了精神分裂癥。這一難以消除的病根在他后來(lái)30多年間一直斷斷續(xù)續(xù)影響著他的生活。1918年1月6日，康托在哈勒大學(xué)的精神病院中去世。

2．集合論的背景

為了較清楚地了解康托在集合論上的工作，先介紹一下集合論產(chǎn)生的背景。

集合論在19世紀(jì)誕生的基本原因，來(lái)自數(shù)學(xué)分析基礎(chǔ)的批判運(yùn)動(dòng)。數(shù)學(xué)分析的發(fā)展必然涉及到無(wú)窮過(guò)程，無(wú)窮小和無(wú)窮大這些無(wú)窮概念。在18世紀(jì)，由于無(wú)窮概念沒(méi)有精確的定義，使微積分理論不僅遇到嚴(yán)重的邏輯困難，而且還使實(shí)無(wú)窮概念在數(shù)學(xué)中信譽(yù)掃地。19世紀(jì)上半葉，柯西給出了極限概念的精確描述。在這基礎(chǔ)上建立起連續(xù)、導(dǎo)數(shù)、微分、積分以及無(wú)窮級(jí)數(shù)的理論。正是這19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的極限理論相當(dāng)完美的解決了微積分理論所遇到的邏輯困難。但是，柯西并沒(méi)有徹底完成微積分的嚴(yán)密化。柯西思想有一定的模糊性，甚至產(chǎn)生邏輯矛盾。19世紀(jì)后期的數(shù)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)使柯西產(chǎn)生邏輯矛盾的問(wèn)題的原因在奠定微積分基礎(chǔ)的極限概念上。嚴(yán)格地說(shuō)柯西的極限概念并沒(méi)有真正地?cái)[脫幾何直觀，確實(shí)地建立在純粹嚴(yán)密的算術(shù)的基礎(chǔ)上。于是，許多受分析基礎(chǔ)危機(jī)影響的數(shù)學(xué)家致力與分析的嚴(yán)格化。在這一過(guò)程中，都涉及到對(duì)微積分的基本研究對(duì)象─連續(xù)函數(shù)的描述。在數(shù)與連續(xù)性的定義中，有涉及關(guān)于無(wú)限的理論。因此，無(wú)限集合在數(shù)學(xué)上的存在問(wèn)題又被提出來(lái)了。這自然也就導(dǎo)致尋求無(wú)限集合的理論基礎(chǔ)的工作。總之，為尋求微積分徹底嚴(yán)密的算術(shù)化傾向，成了集合論產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

3．集合論的建立

康托在柏林大學(xué)的導(dǎo)師是外爾斯托拉斯，庫(kù)曼和克羅內(nèi)克。庫(kù)曼教授是數(shù)論專(zhuān)家，他以引進(jìn)理想數(shù)并大大推動(dòng)費(fèi)馬大定理的研究而舉世聞名是。克羅內(nèi)克是一位大數(shù)學(xué)家，當(dāng)時(shí)許多人都以得到他的贊許為榮。外爾斯托拉斯是一位優(yōu)秀教師也是一位大數(shù)學(xué)家。他的演講給數(shù)學(xué)分析奠定了一個(gè)精確而穩(wěn)定的基礎(chǔ)。例如，微積分中著名的觀念就是他首先引進(jìn)的。正是由于這些人的影響，康托對(duì)數(shù)論較早產(chǎn)生興趣，并集中精力對(duì)高斯所留下的問(wèn)題作了深入的研究。他的畢業(yè)論文就是關(guān)于++=0的素?cái)?shù)問(wèn)題的。這是高斯在《算術(shù)研究》中提出而未解決的問(wèn)題。這片論文寫(xiě)得相當(dāng)出色，它足以證明作者具有深刻的洞察力和對(duì)優(yōu)秀思想的繼承能力。然而，他的超窮集合論的創(chuàng)立，并沒(méi)有受惠于早期對(duì)數(shù)論的研究。相反，他很快接受了數(shù)學(xué)家海涅的建議轉(zhuǎn)向了其他領(lǐng)域。海涅鼓勵(lì)康托研究一個(gè)十分有趣，也是較困難的問(wèn)題：任意函數(shù)的三角級(jí)數(shù)的表達(dá)式是否唯一？對(duì)康托來(lái)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題是促使他建立集合論的最直接原因。函數(shù)可用三角級(jí)數(shù)表示，最早是1822年傅立葉提出來(lái)的。此后對(duì)于間斷點(diǎn)的研究，越來(lái)越成為分析領(lǐng)域中引人注目的問(wèn)題，從19世紀(jì)30年代起，不少杰出的數(shù)學(xué)家從事著對(duì)不連續(xù)函數(shù)的研究，并且都在一定程度上與集合這一概念掛起了鉤。這就為康托最終建立集合論創(chuàng)造了條件。1870年，海涅證明，如果表示一個(gè)函數(shù)的三角級(jí)數(shù)在區(qū)間[-π,π]中去掉函數(shù)間斷點(diǎn)的任意小鄰域后剩下的部分上是一致收斂的，那么級(jí)數(shù)是唯一的。至于間斷點(diǎn)的函數(shù)情況如何，海涅沒(méi)有解決。康托開(kāi)始著手解決這個(gè)以如此簡(jiǎn)潔的方式表達(dá)的唯一性問(wèn)題。于，他跨出了集合論的第一步。

康托一下子就表現(xiàn)出比海涅更強(qiáng)的研究能力。他決定盡可能多地取消限制，當(dāng)然這會(huì)使問(wèn)題本身增加難度。為了給出最有普遍性的解，康托引進(jìn)了一些新的概念。在其后的三年中，康托先后發(fā)表了五篇有關(guān)這一題目的文章。1872年當(dāng)康托將海涅提出的一致收斂的條件減弱為函數(shù)具有無(wú)窮個(gè)間斷點(diǎn)的情況時(shí)，他已經(jīng)將唯一性結(jié)果推廣到允許例外值是無(wú)窮集的情況。康托1872年的論文是從間斷點(diǎn)問(wèn)題過(guò)度到點(diǎn)集論的極為重要的環(huán)節(jié)，使無(wú)窮點(diǎn)集成為明確的研究對(duì)象。

集合論里的中心，難點(diǎn)是無(wú)窮集合這個(gè)概念本身。從希臘時(shí)代以來(lái)，無(wú)窮集合很自然地引起數(shù)學(xué)家們和哲學(xué)家們的注意。而這種集合的本質(zhì)以及看來(lái)是矛盾的性質(zhì)，很難象有窮集合那樣來(lái)把握它。所以對(duì)這種集合的理解沒(méi)有任何進(jìn)展。早在中世紀(jì)，人們已經(jīng)注意到這樣的事實(shí)：如果從兩個(gè)同心圓出發(fā)畫(huà)射線，那么射線就在這兩個(gè)圓的點(diǎn)與點(diǎn)之間建立了一一對(duì)應(yīng)，然而兩圓的周長(zhǎng)是不一樣的。16世紀(jì)，伽俐略還舉例說(shuō)，可以在兩個(gè)不同長(zhǎng)的線段ab與cd之間建立一一對(duì)應(yīng)，從而想象出它們具有同樣的點(diǎn)。

他又注意到正整數(shù)可以和它們的平方構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)，只要使每個(gè)正整數(shù)同它們的平方對(duì)應(yīng)起來(lái)就行了:

1234……n……

234……n……

但這導(dǎo)致無(wú)窮大的不同的“數(shù)量級(jí)”，伽俐略以為這是不可能的.因?yàn)樗袩o(wú)窮大都一樣大。

不僅是伽俐略，在康托之前的數(shù)學(xué)家大多不贊成在無(wú)窮集之間使用一一對(duì)應(yīng)的比較手段，因?yàn)樗鼘⒊霈F(xiàn)部分等于全體的矛盾.高斯明確表態(tài)：“我反對(duì)把一個(gè)無(wú)窮量當(dāng)作實(shí)體，這在數(shù)學(xué)中是從來(lái)不允許的。無(wú)窮只是一種說(shuō)話的方式……”柯西也不承認(rèn)無(wú)窮集合的存在。他不能允許部分同整體構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)這件事。當(dāng)然，潛無(wú)窮在一定條件下是便于使用的，但若把它作為無(wú)窮觀則是片面的。數(shù)學(xué)的發(fā)展表明，只承認(rèn)潛無(wú)窮，否認(rèn)實(shí)無(wú)窮是不行的。康托把時(shí)間用到對(duì)研究對(duì)象的深沉思考中。他要用事實(shí)來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，說(shuō)服大家。康托認(rèn)為，一個(gè)無(wú)窮集合能夠和它的部分構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)不是什么壞事，它恰恰反應(yīng)了無(wú)窮集合的一個(gè)本質(zhì)特征。對(duì)康托來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)集合能夠和它的一部分構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)，它就是無(wú)窮的。它定義了基數(shù),可數(shù)集合等概念。并且證明了實(shí)數(shù)集是不可數(shù)的代數(shù)數(shù)是可數(shù)的.康托最初的證明發(fā)表在1874年的一篇題為《關(guān)于全體實(shí)代數(shù)數(shù)的特征》的文章中,它標(biāo)志著集合論的誕生。

隨著實(shí)數(shù)不可數(shù)性質(zhì)的確立，康托又提出一個(gè)新的，更大膽的問(wèn)題。1874年，他考慮了能否建立平面上的點(diǎn)和直線上的點(diǎn)之間的一一對(duì)應(yīng)。從直觀上說(shuō)，平面上的點(diǎn)顯然要比線上的點(diǎn)要多得多。康托自己起初也是這樣認(rèn)識(shí)的。但三年后，康托宣布：不僅平面和直線之間可以建立一一對(duì)應(yīng)，而且一般的n維連續(xù)空間也可以建立一一對(duì)應(yīng)！這一結(jié)果是出人意外的。就連康托本人也覺(jué)得“簡(jiǎn)直不能相信”。然而這又是明擺著的事實(shí)，它說(shuō)明直觀是靠不住的，只有靠理性才能發(fā)現(xiàn)真理，避免謬誤。

既然n維連續(xù)空間與一維連續(xù)統(tǒng)具有相同的基數(shù)，于是，康托在1879到1884年間集中于線性連續(xù)統(tǒng)的研究，相繼發(fā)表了六篇系列文章，匯集成《關(guān)于無(wú)窮的線性點(diǎn)集》。前四篇直接建立了集合論的一些重要結(jié)果，包括集合論在函數(shù)論等方面的應(yīng)用。其中第五篇發(fā)表于1883年，它的篇幅最長(zhǎng)，內(nèi)容也最豐富。它不僅超出了線性點(diǎn)集的研究范圍，而且給出了超窮數(shù)的一個(gè)完全一般的理論，其中借助良序集的序型引進(jìn)了超窮序數(shù)的整個(gè)譜系。同時(shí)還專(zhuān)門(mén)討論了由集合論產(chǎn)生的哲學(xué)問(wèn)題，包括回答反對(duì)者們對(duì)康托所采取的實(shí)無(wú)窮立場(chǎng)的非難。這篇文章對(duì)康托是極為重要的。1883年，康托將它以《集合論基礎(chǔ)》為題作為專(zhuān)著單獨(dú)出版。

《集合論基礎(chǔ)》的出版，是康托數(shù)學(xué)研究的里程碑。其主要成果是引進(jìn)了作為自然數(shù)系的獨(dú)立和系統(tǒng)擴(kuò)充的超窮數(shù)。康托清醒地認(rèn)識(shí)到，他這樣做是一種大膽的冒進(jìn)。“我很了解這樣做將使我自己處于某種與數(shù)學(xué)中關(guān)于無(wú)窮和自然數(shù)性質(zhì)的傳統(tǒng)觀念相對(duì)立的地位，但我深信，超窮數(shù)終將被承認(rèn)是對(duì)數(shù)概念最簡(jiǎn)單、最適當(dāng)和最自然的擴(kuò)充。”《集合論基礎(chǔ)》是康托關(guān)于早期集合理論的系統(tǒng)闡述，也是他將做出具有深遠(yuǎn)影響的特殊貢獻(xiàn)的開(kāi)端。

康托于1895年和1897年先后發(fā)表了兩篇對(duì)超限數(shù)理論具有決定意義的論文。在該文中,他改變了早期用公理定義(序)數(shù)的方法，采用集合作為基本概念。他給出了超限基數(shù)和超限序數(shù)的定義，引進(jìn)了它們的符號(hào)；依勢(shì)的大小把它們排成一個(gè)“序列”；規(guī)定了它們的加法，乘法和乘方……。到此為止，康托所能做的關(guān)于超限基數(shù)和超限序數(shù)理論已臻于完成。但是集合論的內(nèi)在矛盾開(kāi)始暴露出來(lái)。康托自己首先發(fā)現(xiàn)了集合論的內(nèi)在矛盾。他在1895年的文章中遺留下兩個(gè)懸而未決的問(wèn)題：一個(gè)是連續(xù)統(tǒng)假說(shuō)；另一個(gè)是所有超窮基數(shù)的可比較性。他雖然認(rèn)為無(wú)窮基數(shù)有最小數(shù)而沒(méi)有最大數(shù)，但沒(méi)有明顯敘述其矛盾之處。一直到1903年羅素發(fā)表了他的著名悖論。集合論的內(nèi)在矛盾才突出出來(lái)，成為20世紀(jì)集合論和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究的出發(fā)點(diǎn)。

4．對(duì)康托集合論的不同評(píng)價(jià)

康托的集合論是數(shù)學(xué)上最具有革命性的理論。他處理了數(shù)學(xué)上最棘手的對(duì)象---無(wú)窮集合。因此，他的發(fā)展道路也自然很不平坦。他拋棄了一切經(jīng)驗(yàn)和直觀，用徹底的理論來(lái)論證，因此他所得出的結(jié)論既高度地另人吃驚，難以置信，又確確實(shí)實(shí)，毋庸置疑。數(shù)學(xué)史上沒(méi)有比康托更大膽的設(shè)想和采取的步驟了。因此，它不可避免地遭到了傳統(tǒng)思想的反對(duì)。

19世紀(jì)被普遍承認(rèn)的關(guān)于存在性的證明是構(gòu)造性的。你要證明什么東西存在，那就要具體造出來(lái)。因此，人只能從具體得數(shù)或形出發(fā)，一步一步經(jīng)過(guò)有限多步得出結(jié)論來(lái)。至于“無(wú)窮”，許多人更是認(rèn)為它是一個(gè)超乎于人的能力所能認(rèn)識(shí)的世界，不要說(shuō)去數(shù)它，就是它是否存在也難以肯定，而康托竟然“漫無(wú)邊際地”去數(shù)它，去比較它們的大小，去設(shè)想沒(méi)有最大基數(shù)的無(wú)窮集合的存在……這自然遭到反對(duì)和斥責(zé)。

集合論最激烈的反對(duì)者是克羅內(nèi)克，他認(rèn)為只有他研究的數(shù)論及代數(shù)才最可靠。因?yàn)樽匀粩?shù)是上帝創(chuàng)造的，其余的是人的工作。他對(duì)康托的研究對(duì)象和論證手段都表示強(qiáng)烈的反對(duì)。由于柏林是當(dāng)時(shí)的數(shù)學(xué)中心，克羅內(nèi)克又是柏林學(xué)派的領(lǐng)袖人物，所以他對(duì)康托及其集合論的發(fā)展前途的阻礙作用是非常大的。另一位德國(guó)的知覺(jué)主義者魏爾認(rèn)為，康托把無(wú)窮分成等級(jí)是霧上之霧。法國(guó)數(shù)學(xué)界的權(quán)威人物龐加萊曾預(yù)言：我們的“后一代將把（康托的）集合論當(dāng)作一種疾病”等等。由于兩千年來(lái)無(wú)窮概念數(shù)學(xué)帶來(lái)的困難，也由于反對(duì)派的權(quán)威地位,康托的成就不僅沒(méi)有得到應(yīng)有的評(píng)價(jià)，反而受到排斥。1891年，克羅內(nèi)克去世之后，康托的處境開(kāi)始好轉(zhuǎn)。

另一方面，許多大數(shù)學(xué)家支持康托的集合論。除了狄德金以外，瑞典的數(shù)學(xué)家米大格---列夫勒在自己創(chuàng)辦的國(guó)際性數(shù)學(xué)雜志上把康托的集合論的論文用法文轉(zhuǎn)載，從而大大促進(jìn)了集合論在國(guó)際上的傳播。1897年在第一次國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)上，霍爾維次在對(duì)解析函數(shù)的最新進(jìn)展進(jìn)行概括時(shí)，就對(duì)康托的集合論的貢獻(xiàn)進(jìn)行了闡述。三年后的第二次國(guó)際數(shù)學(xué)大會(huì)上，為了捍衛(wèi)集合論而勇敢戰(zhàn)斗的希爾伯特又進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了康托工作的重要性。他把連續(xù)統(tǒng)假設(shè)列為20世紀(jì)初有待解決的23個(gè)主要數(shù)學(xué)問(wèn)題之首。希爾伯特宣稱(chēng):“沒(méi)有人能把我們從康托為我們創(chuàng)造的樂(lè)園中驅(qū)逐出去。”特別自1901年勒貝格積分產(chǎn)生以及勒貝格的測(cè)度理論充實(shí)了集合論之后，集合論得到了公認(rèn)，康托的工作獲得崇高的評(píng)價(jià)。當(dāng)?shù)谌螄?guó)際數(shù)學(xué)大會(huì)于1904年召開(kāi)時(shí)，“現(xiàn)代數(shù)學(xué)不能沒(méi)有集合論”已成為大家的看法。康托的聲望已經(jīng)得到舉世公認(rèn)。

5．集合論的意義

集合論是現(xiàn)代數(shù)學(xué)中重要的基礎(chǔ)理論。它的概念和方法已經(jīng)滲透到代數(shù)、拓?fù)浜头治龅仍S多數(shù)學(xué)分支以及物理學(xué)和質(zhì)點(diǎn)力學(xué)等一些自然科學(xué)部門(mén)，為這些學(xué)科提供了奠基的方法，改變了這些學(xué)科的面貌。幾乎可以說(shuō)，如果沒(méi)有集合論的觀點(diǎn)，很難對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)獲得一個(gè)深刻的理解。所以集合論的創(chuàng)立不僅對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義，而且對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展也有深遠(yuǎn)的影響。

康托一生受過(guò)磨難。他以及其集合論受到粗暴攻擊長(zhǎng)達(dá)十年。康托雖曾一度對(duì)數(shù)學(xué)失去興趣，而轉(zhuǎn)向哲學(xué)、文學(xué)，但始終不能放棄集合論。康托能不顧眾多數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家甚至神學(xué)家的反對(duì)，堅(jiān)定地捍衛(wèi)超窮集合論，與他的科學(xué)家氣質(zhì)和性格是分不開(kāi)的。康托的個(gè)性形成在很大程度上受到他父親的影響。他的父親喬治·瓦爾德瑪·康托在福音派新教的影響下成長(zhǎng)起來(lái)。是一位精明的商人，明智且有天份。他的那種深篤的宗教信仰強(qiáng)烈的使命感始終帶給他以勇氣和信心。正是這種堅(jiān)定、樂(lè)觀的信念使康托義無(wú)返顧地走向數(shù)學(xué)家之路并真正取得了成功。

今天集合論已成為整個(gè)數(shù)學(xué)大廈的基礎(chǔ)，康托也因此成為世紀(jì)之交的最偉大的數(shù)學(xué)家之一。