Кущи или адские дебри ?

Попытаемся неформально проанализировать общематематические достижения в задаче обоснования теории множеств. Сразу нужно отметить, что замкнутого изложения основ формальная теория множеств не даёт. Во-первых, при доказательстве теорем использовались законы математической логики, которые, в свою очередь как отмечалось ранее, требовали (хоть и минимального) знакомства с понятием множества. Во-вторых, неявно предполагалось использование арифметики. Кто с этим не согласен, пусть возьмёт на себя труд пересчитать использованные в пояснениях и доказательствах числительные и попробует обойтись без них… Наконец, для того, чтобы иметь возможность писать любые формулы теории множеств, необходим бесконечный (или по крайней мере, сверхбольшой) алфавит, которым мы молчаливо пользовались. Поэтому всякие претензии на основополагающую роль аксиоматической теории множеств в качестве фундамента для всех математических дисциплин, мягко говоря, не состоятельны. Это относится в равной степени и к другим известным аксиоматикам теории множеств (например, к теории классов Гёделя-Бернсайда, которая эквивалентна теории Цермело-Френкеля).

За краткую (почти столетнюю) историю использования приведённой системы аксиом не было выявлено ни одного противоречия. Это, конечно, не доказывает непротиворечивости построенной теории множеств, ибо противоречия могут обнаружиться в любой момент, но всё же, вселяют некоторую уверенность при использовании множеств. Как уже говорилось, теорема Гёделя не оставляет надежд на доказательство непротиворечивости теории множеств средствами самой теории. Теория множеств неполна, так что существуют утверждения, истинные в некоторых моделях теории множеств, ложные в других и не доказуемые (т.е. не выводимые формально-логическим путём из аксиом теории множеств). Одно дело, когда неполна некоторая частная ветвь математики, но совсем другое дело, когда неполным является основание, т.к. любые различные между собой варианты теории множеств, могут быть надстроены до различных между собой математик.

Долгое время не было известно достаточно простых примеров недоказуемых, и неопровержимых утверждений теории множеств, так что можно было надеяться, что такие монстры слишком экзотичны, искусственны и потому не могут приводить к осязаемым простыми смертными разветвлениям математической науки. Однако, в 60-е годы XX в. П. Коэном (за подробностями обратитесь к книге [12]) была решена одна из проблем Гильберта – о континуум-гипотезе, и выяснилось, что монстры находятся ближе, чем мы предполагаем: можно сказать, что некоторые из них живут среди нас… Континуум-гипотезаформулируется очень просто: существует ли подмножество Х множества действительных чисел R, которое содержит все натуральные числа и не равномощно ни R, ни N ? Оказывается, что утверждение о существовании такого множества Х недоказуемо и неопровержимо в теории множеств. Поэтому можно с равным основанием принять в качестве аксиомы как наличие такого подмножества N Ì ХÌ R , так и его отсутствие. Согласитесь, что при реализации любого из этих подходов получаются разные теории вещественных чисел. И дело здесь не в одном утверждении – из принятых аксиом будут выводиться всё новые и новые теоремы, в корне отличные от своих антиподов в другой теории вещественных чисел, что может в конечном итоге изменить привычный мир чисел до неузнаваемости. Так иная, неизведанная и во многом чуждая математика просачивается даже в зазор между натуральными и вещественными числами. Теперь математики могут с полным основанием, перефразируя М.А. Булгакова, спрашивать друг друга при встрече: “Какую именно разновидность из множества теорий множеств Вы предпочитаете в данное время суток ?”

Быть может, подобные простые недоказуемые утверждения будут скоро открыты и в арифметике. Само их существование в корне меняет психологический кли­мат и настрой математика: если раньше он мог быть уверен, что рано или поздно любая математическая теорема будет либо доказана, либо опровергнута, то теперь такой уверенности нет. Нужно постоянно держать в уме возможность “ничейного” исхода, когда данное утверждение может оказаться независимым от принятой аксиоматики, причём не только от аксиоматики той области, в которой математик ощущает себя профессионалом, но и от неведомых аксиом тёмных, скрытых от постороннего взгляда дилетанта, закоулков зыбких оснований математической науки в целом. Так на смену наивному оптимизму человекобога-творца-преобразователя приходит трезвое понимание ограниченности возможностей бренного человека в неограниченно расширяемом им самим мире потенциально-виртуально-мнимых реальностей. Вспоминается афоризм незабвенного Ежи Леца: “Ну, пробил ты головой стену… И что будешь делать в соседней камере ?..”

Попытаемся теперь ещё раз проанализировать аксиомы теории множеств, кратко останавливаясь лишь на самых неочевидных. Это представляется необходимым, поскольку изложение наше, как это ни печально, было не достаточно формальным, хотя даже в таком виде воспринималось, наверное, с большим трудом. Неформальность эта, прежде всего, выражалась в том, что мы не всегда строго следовали букве формального теоретико-множественного закона. Так, например, для некоторых множеств и теоретико-мно­же­ственных конструкций были введены удобные и выразительные обозначения (Æ, А Ç В, А´В, f: A ® B и т.д.), которые тем не менее не входят в исходный алфавит. Поэтому, действуя формально, нужно было всякий раз, когда использовалась такая конструкция, писать вместо неё соответствующую её определению формулу, что, конечно же, неудобно, хотя иногда и полезно попробовать. Кроме того, изредка совершались сознательные отступления от аксиоматического канона, на которые, как и на некоторые другие детали приведённых в прошлом параграфе рассуждений, пришло время указать, чтобы прояснить ситуацию. Наконец, неформальными были и доказательства, записанные не в виде формальных логических выводов, а на языке, который можно с полным основанием назвать смесью французского с нижегородским, поскольку в нём причудливо сплетались конструкции русского языка с обрывками математических формул. Попробуйте хотя бы раз хотя бы начать записывать хотя бы только начало доказательства хотя бы одной хотя бы не очень содержательной теоремы, чтобы понять раз и навсегда, какой ад скрывается за ажурной, почти невидимой решёткой райского сада формально-аксиоматического построения любой математической теории… Надеюсь, что большинство читателей обратили внимание на эти умышленные вкрапления неточностей, и буду особенно благодарен, если кто-то укажет и на другие вкравшиеся в текст (не по злой воле автора) несуразности.

 

3⁰. аксиома выделения : " А $ B " x (x Î B « x Î A Ù Р(х)), где Р(х) – произвольная формула теории множеств со свободной переменной х, в которую не входят предметные переменные А и В.

Внимательный читатель уже заметил, что эта аксиома неоднократно нарушалась (постарайтесь выявить, где именно, сколько раз, и сверьте ответы с товарищами !!). В тексте есть ряд мест, где встречаются и пропускаются без комментариев неформальные применения этой аксиомы (пройдитесь ещё раз по тексту, чтобы эти случайные встречи оставили неизгладимое впечатление в памяти).

Таким образом, главная трудность использования аксиомы выделения заключается в том, чтобы не допустить случайного вхождения переменных А и В в формулу Р(х). Тем не менее, иногда это приходится делать для краткости записи. Например, при доказательстве импликации (2) Þ (4) теоремы о равносильных формулировках аксиомы выбора изучалось множество

K_a = {X Î L | ({a} – н.с. X) Ù (" Y (Y – н.с. X) Ù (Y ¹ X) ® (f(Y) = inf_X(X \ Y)))},

о происхождении которого ничего не было сказано. Конечно, оно образовано по аксиоме выделения, но с явными нарушениями этой аксиомы, ибо выделяющее условие не является формулой теории множеств (в нём участвует неформальные записи {a}, (Y – н.с. X)), f(Y) = inf_X(X \ Y). Для устранения этой неточности нужно заменить эти неформальные записи их формальными определениями в виде форммул. Наконец, для торжества формализма нужно всюду избавиться от обозначений Í и Ì , Æ , È {S Î K} и È {T Î K | T Ì S} , f(È {T Î K | T Ì S}), также подставив вместо них определяющие формулы. Проделайте это весьма поучительное упражнение самостоятельно. Если после всех этих манипуляций определение множества K_a займёт у Вас менее полстраницы и Вы ещё будете способны что либо в нём понимать, я готов пожать Вашу мужественную руку ! Подобного сорта нарушения формального аксиоматического канона, обусловленные стремлением к краткости, выразительности и утилитарной экономии чернил и бумаги, встречаются и в других местах. Их можно исправить с помощью аналогичных расшифровок и подстановок.

В чём смысл ограничений на использованную в аксиоме выделения формулу ? Понятно, что недопустимость вхождения в Р(х) переменной В (обозначающей определяемое множество) обусловлена стремлением избежать замкнутого круга при таком определении и возникающих противоречий: например, без этого ограничения существовало бы следующее противоречивое “множество” В = {x Î A | B ¹ Æ Ù x Ï B}. Хотя противоречия возникают не всегда, и с ними, видимо, можно было бы бороться менее кардинальными мерами, но сложившаяся с обоснованием теории множеств ситуация такова, что будучи не в силах совладать даже с имеющейся теорией, вряд ли имеет смысл стремиться к ещё большему её расширению.

Теперь самое время раскрыть страшную тайну: если в формуле Р(х) присутствует переменная А, то при наличии достаточно большого алфавита условие аксиомы выделения можно удовлетворить, записывая в нужном месте доказательства вместо стандарт­ного $ B (" x (x Î B « x Î A Ù Р(х))) более длинное ($ А₁ (" x (х Î А₁ « x Î A)) Ù Ù ($ B (" x (x Î B « x Î A₁ Ù Р₁(х)))) , где формула Р₁(х) получена из Р(х) заменой всех вхождений переменной А на переменную А₁ , не использованную ранее. Так что, условие неиспользования переменной A в этой аксиоме чисто экономическое, хотя следуя негласному математическому преданию, умение обходиться без нарушения условий аксиомы выделения считается хорошим стилем, т.к. уменьшает вероятность впасть в порочный круг при конструировании множеств.

Замечание. Попытка избавиться от вхождения переменной В в формулу Р(х) не увенчается успехом, ибо написать $ В₁ (" x (х Î В₁ « x Î В)), можно лишь в том случае, если известно, что В – множество.

Самый лучший вариант использования аксиомы выделения, к которому следует стремиться, – это отсутствие других свободных переменных, кроме х, в формуле Р(х). Тогда эта формула задаёт предикат, областью истинности которого и является выделяемое множество В. В общем случае этот “предикат” зависит от некоторых других переменных, участвующих в Р(х), и это требует внимательного контроля – что скрывается за их значениями. Например, если А = {x Î B | x Î C}, C = {x Î А | x Ï В}, то оба множества А и С корректно определены по аксиоме выделения (если переменные А и С различны), но оба они обязаны быть пустыми (?!). Более сложный пример: неформальная (но формализуемая) формула

($ B = {x Î N | x > max C – 4}) Ù В¹Æ Ù N\ B ¹ Æ Ù

Ù ($ C = {y Î B | min(N\ B)+1 £ y < min B + 4})

задаёт множества В и С неоднозначно: например, можно взять B = {n Î N | n > 2}, С = {3, 4, 5, 6}, или B = {n Î N | n > 8}, C = {9, 10, 11, 12} (докажите, что общий вид множеств В и С таков: B = {n Î N | n > k}, C = {k+1, k+2, k+3, k+4} для некоторого k Î N !!).

Упражнение. Для любого ли n Î N существует n-элементное множество А, если

(A Í N) Ù (А – конечно) Ù ( max A + min A < 2·min(N\ A)) Ù

Ù (" а Î А $ с Î А а+с Ï А Ù а× с Î А) ?

Какие значения может принимать величина min(N \ A) ?

Трудности ещё более усугубляются в следующем примере: А = {x Î N | x – 1 Ï B}, B = {y Î A | y² Ï A}. Ясно, что 1Î А и потому 1Ï В. Далее, 2 Î А, но для того, чтобы определить, принадлежит ли 2 множеству В, необходимо знать верно ли, что 4 Î А. Таким образом, проследить последовательно за элементами множеств А и В не представляется возможным, ибо задание этих множеств предполагает изрядную долю произвола. Тем не менее, множества, удовлетворяющие условиям для А и В, существуют: например, A = N , В = Æ (приведите пример непустого множества В !!).

Итак, даже приведённые простые примеры показывают, что совместное задание бесконечных множеств (когда одно определяется через другое, которое, в свою очередь, задаётся с использованием элементов первого), приводит к непростым взаимовлияниям, что делает неочевидным не только решение вопроса о принадлежности какого-либо конкретного элемента этим множествам, но и вызывает небезпочвенные сомнения по поводу самого факта существования заданных множеств. Что уж говорить о бесконечных совокупностях множеств, определяемых с помощью перекрёстных ссылок на определения друг друга ! Не случайно поэтому, что многие математики не признают аксиому выделения в сформулированном широком виде, требуя ограничений на структуру выделяющей формулы Р(х). Тем не менее, доказано, что использование только аксиомы выделения даже для бесконечных совокупностей множеств не приводит к противоречиям [см. 12].

7⁰. аксиома регулярности : " А ¹ Æ $ В Î А " а Î А а Ï В

Если сравнивать теорию множеств с игрой в детский конструктор, то другие аксиомы дают средства построения новых множеств из уже известных, и лишь аксиома регулярности запрещает существование некоторых множеств. Поэтому на аксиоме регулярности лежит важная и ответственная миссия контролёра, которая требует отсеять из и без того неочевидной теории как можно больше подозрительных объектов. Как уже отмечалось, эта аксиома лишила статуса множества, например, такой объект как совокупность всех множеств. Этим и обусловлена её достаточно жёсткая форма, запрещающая, как мы видели существование множеств с бесконечными убывающими цепями а₁ а₂ …а_n … Конечно, избавиться от “множества всех множеств” можно было множеством иных способов, требующих значительно более малой крови, однако аксиома отсекла сразу всё, что не соответствовало математической практике. Дело в том, что за всю историю существования математики ни разу не возникла необходимость рассматривать множество, имеющее такие запрещённые бесконечные цепи элементов. С другой стороны, существуют множества, со сколь угодно длинными убывающими по отношению принадлежности цепями элементов: например, построенное нами в прошлом множество N (выделенное в бесконечном множестве N) содержит такие цепи любой заданной длины. Поэтому вводить дальнейшие ограничения в том же направлении – это значит уже резать по живому.

 

8⁰. аксиома существования области значений : для любой формулы Ф(х, у) со свободными переменными х, у справедливо свойство

" А (" х Î A " у, z (Ф(х, у) Ù Ф(х, z) ® y = z)) ® $ B " y (y Î B « $ x Î A Ф(х, у))

Как уже говорилось, эта аксиома даёт лексический способ задания функции – с помощью формулы, удовлетворяющей условию функциональности – сразу на любом множестве. После сделанных замечаний об аксиоме выделения становится ясно, что при наличии достаточно большого алфавита предметных переменных для любой формулы Ф(х, у) (возможно после незначительной её модификации) можно рассматривать множество f = {хÎ A´Im_А (Ф) | $ а Î А ($ b Î Im_А (Ф) x = (a; b) Ù Ф(a, b))}, которое будет функцией из множества A в множество Im_А (Ф).

С помощью этой аксиомы вводились ординалы. Конечно, их можно было определить и без “предиката” Ord (как множество со свойствами транзитивности относительно Î , линейной упорядоченности относительно Î и существования наименьшего элемента относительно Î в каждом непустом подмножестве), но аксиома существования области значений позволяет доказать, что множество ординалов, содержащихся в данном множестве, будет множеством. Можно доказать, что “множество” всех ординалов на самом деле множеством не является (?!).

Это становится понятным, если учесть следующую эквивалентную форму аксиомы регулярности, смысл которой заключается в том, что все множества можно построить с помощью некоторого регулярного процесса из ординалов (поэтому и “регулярность” в названии аксиомы). Вот точная формулировка: для любого множества А существует некоторый ординал a, для которого А Î V_a , где V_a строится с помощью следующих операций (трансфинитной индукции по ординалам): а) V₀ = Æ; б) V_a = B(V_b), если a = b + 1; в) V_a = , если a – предельный ординал. Здесь использованы следующие понятия и отношения для ординалов: символ 0 обозначает ординал Æ, a = b + 1 означает, что a = b È {b}, b < a – значит b Î a , ординал a называется предельным, если он не имеет вида a = b + 1.

Ординалы играют важную роль в математике, а процесс трансфинитной индукции, в котором в качестве вполне упорядоченного множества часто берётся множество всех ординалов некоторого множества, обобщает принцип математической индукции для натуральных чисел.

9⁰. аксиома бесконечности : $ N ((Æ Î N) Ù (" X Î N X È {X} Î N))

С помощью этой аксиомы было построено множество натуральных чисел

N = {Æ, {Æ}, {Æ, {Æ}}, {Æ, {Æ}, {Æ, {Æ}}}, …},

элементы которого – конечные ординалы – были обозначены символами 1, 2, 3, 4, 5, … Можно доказать, что это множество в самом деле удовлетворяет аксиомам Пеано для натуральных чисел. Для этого, прежде всего, определим отображение s: N ® N, дающее для элемента n Î N значение s(n) непосредственно следующего за ним элемента. Это можно сделать, задав s с помощью формулы Ф(х, у) = (y = х È {x}) по аксиоме существования области значений. После этого легко убедиться в выполнении следующих свойств (аксиом Пеано):

(N1): " n Î Ns(n) ¹ 1 ,

(N2): " n Î N(n ¹ 1 ® ($ m Î N n = s(m))),

(N3): " n, m Î N (s(n) = s(m) ® n = m),

(N4): " M Í N((1 Î M Ù (" n Î N n Î M ® s(n) Î M)) ® M = N).

В самом деле, (N1) и (N2) очевидны (?!). Если s(n) = s(m), то n È {n} = m È {m}. В случае n ¹ m получим n Î m и m Î n вопреки аксиоме регулярности. Таким образом, (N3) доказано. Свойство (N4) докажем от противного: пусть $ n Î Nn Ï M . Тогда А = N \ M ¹ Æ и по аксиоме регулярности содержит такой элемент b Î A, что " c Î A c Ï b. Поскольку 1 Î M, то b ¹ 1 и (по (N2)) b = s(c) для некоторого с Î N . Если с Î А , то с Î с È {c} = s(c) = b, что невозможно. Таким образом, с Î M и значит, b = s(c) Î M – противоречие.

Упражнения: 1.Докажите (N2), не используя аксиому регулярности.

2.Докажите, что отношение n £ m « n Î m Ú n = m задаёт полный порядок на N. (Указание: если M Ì N не имеет наименьшего элемента, то рассмотреть множество K = {k Î N | " m Î M k < m})

Чтобы не возникало ощущения, что таким образом обоснована арифметика натуральных чисел, внимательно перечитайте начало этого параграфа, чтобы отчётливо осознать: идея числа незримо витала над нами на всём протяжении построения теории множеств. Поэтому максимум, чем можно гордиться – лишь включением арифметики в качестве частного случая в более общую теорию множеств, которая, тем не менее, сама нуждается в обосновании и при построении которой неявно использовались арифметические конструкции. Так что серьёзного повода для эйфории здесь не обнаруживается !

10⁰. аксиома выбора : " Х (" Y Î X Y ¹ Æ ® $ M " YÎ X $ ! m Î M Ç Y)

Аксиома выбора была впервые сформулирована Э. Цермело, который с её помощью построил полный порядок на множестве действительных чисел. Его рассуждения были при­няты в штыки большинством математиков, т.к. не давали конструктивного полного упорядочения множества R , хотя и решали соответствующую проблему Гильберта о существовании такого порядка. Вскоре, однако, выяснилось, что утверждения, эквивалентные акси­оме выбора, использовались неявно и ранее при доказательстве многих фундаментальных теорем алгебры и анализа, так что всем стало ясно: насколько легко было не замечать аксиому выбора – эту золушку в блистательном дворце математики, – настолько же трудно, а практически невозможно, оказалось жить без её незаменимых услуг.

В настоящее время лишь последовательные конструктивисты отрицают использование аксиомы выбора в любой форме, большинство же математических сект принимает её, хотя и с некоторыми ограничениями, например, требуя счётность (т.е. равномощность множеству N) от множества Х, в элементах которого совершается выбор. На самом деле ясности это не прибавляет, поскольку теорема Левенгейма-Сколема гарантирует реализацию всей теории множеств в некоторой модели, состоящей только из счётных множеств. Здесь нужно объяснить кажущееся противоречие: все знают, что множество R несчётно – как же оно реализуется в такой модели ? Дело в том, что счётность – это (по определению) равномощность множеству N. Таким образом, в рассматриваемой нестандартной модели теории множеств просто нет биективных функций из двойника множества R в двойника множества N.

Слишком велики потери, которые понесёт математика при отказе от аксиомы выбора. Она используется, например, при доказательстве теоремы о том, что из всякой бесконечной ограниченной последовательности действительных чисел можно выбрать бесконечную сходящуюся подпоследовательность. Без неё не докажешь теорему о существовании максимума непрерывной функции на замкнутом интервале, не убедишься в компактности такого интервала, не обоснуешь теорему о промежуточных значениях непрерывной функции, и т.д. Без этой аксиомы невозможно работать с фактор-множествами, ибо выбор представителей в классах эквивалентных элементов, как правило, осуществляется с её помощью. Отказ от аксиомы выбора приведёт к исчезновению теоремы о существовании базиса в бесконечномерных векторных пространствах, не говоря уж о более общих утверждениях из теорий групп и колец, связанных с процедурами недетерминированного выбора. Дело даже не в конкретных теоремах – дело в том, что рушатся целые математические миры, которые доселе скрепляет незримая сила, скрытая в этой загадочной аксиоме. Нужно отметить, что само по себе использование аксиомы выбора в том или ином рассуждении вовсе не означает ещё, что это утверждение невозможно доказать без её использования. Вопрос о роли этой аксиомы в доказательстве конкретной теоремы чрезвычайно труден, он требует кропотливого анализа места доказываемой теоремы в здании математики и её взаимосвязей с другими аксиомами. Перечисленные выше утверждения – это лишь наиболее простые примеры, для которых фатальный исход в случае отказа от аксиомы выбора предрешён и доказан. Во многих других случаях положение ещё не столь определённо. Тем не менее, опасность потерять многое частично утишает страсти и охлаждает головы не в меру ретивых математических революционеров-реакционеров.

С другой стороны, из аксиомы выбора следуют довольно странные выводы. Например, представьте себе футбольный мяч и земной шар. Что бы Вы сказали, если бы Вас пытались убедить в том, что можно разрезать мяч на несколько частей (более точно: разбить на несколько подмножеств) и, переместив их в пространстве, покрыть ими земной шар ? Боюсь, что мало кто из нормальных людей подпишется под эти утверждением… Тем не менее, это – теорема Банаха-Тарского, лишь поданная в неформальной парадоксальной упаковке. С математической точки зрения, никакого противоречия это утверждение не содержит, хотя и выглядит странно. Дело в том, что подмножества, на которые разбивается мяч, не являются геометрическими фигурами ! Поэтому при движениях в пространстве не обязаны сохраняться такие их характеристики как площадь, объём и др. Здесь ещё раз предельно выпукло проявляется отличие пространства математического от пространства реального, сферы – как математического объекта, от её реальных бренных прототипов. Чисто внешние, поверхностные сходства не следует автоматически переносить на глубинные, более тонкие и бесконечно более богатые внутренние содержания: математические структуры и реальные объекты – вещи несовместные.

Другая, не менее парадоксальная форма теоремы Банаха-Тарского состоит в том, что круг можно разбить на пять таких непересекающихся между собой частей (одна из которых – точка), что, будучи передвинутыми на плоскости, эти части образуют два круга, каждый из которых равен исходному (А. Робинсон). Кажущаяся парадоксальность подобных утверждений зиждется на нашей интуиции площади и объёма. Между тем, аксиома выбора позволяет построить множества, неизмеримые относительно любой нетривиальной меры, инвариантной относительно сдвигов. Пример такого множества на прямой (одномерном пространстве R¹) будет приведён ниже. Так что те части сфер и кругов, которые участвуют в описанных разбиениях (по крайней мере, некоторые из них) будут неизмеримыми, и наша интуиция может спать спокойно – эти “парадоксы” не предмет её заботы.

Чтобы лучше понять суть применений аксиомы выбора, приведём строгое обоснование импликации (2) Þ (1) в теореме об эквивалентных формулировках аксиомы регулярности, ибо в нём, как в капле воды, отражаются все те проблемы, с которыми сталкивается математик во многих математических рассуждениях, связанных с недетерминированным выбором.

Теорема (эквивалентные формулировки аксиомы регулярности).Следующие утверждения эквивалентны в системе аксиом 1⁰-6⁰, 8⁰- 9⁰:

(1) аксиома регулярности: " А ¹ Æ $ В Î А " а Î А а Ï В,

(2) принцип отсутствия бесконечных убывающих (по отношению Î) цепей множеств: не существует бесконечной последовательности {A_i}_iÎN множеств, удовлетворяющей условию " i Î N A_i+1 Î A_i (т.е. ).

Доказательство. (2) Þ (1). Докажем, что из аксиом 1⁰-9⁰ без 7⁰ и (2) следует аксиома регулярности. Снова рассуждаем от противного. Неформальное рассуждение очень простое: пусть А – непустое множество, не удовлетворяющее аксиоме регулярности. Тогда можно выбрать некоторый элемент А₁ Î А, который не может удовлетворять свойству " а Î А а Ï А₁ . Значит, можно найти элемент А₂ Î А₁ Î А. Если уже построены элементы A A₁ A₂ … A_i для некоторого i Î N , то А_i Î А не может удовлетворять свойству " а Î А а Ï А_i . Поэтому, можно найти некоторый элемент А_i+1 Î А_i , получив таким образом более длинную цепочку . Итак, вопреки предположению (2), построена бесконечная последовательность .

Импликация “доказана”.

На самом деле, нужно построить функцию f: N ® B(A) со свойством " i Î N f(i+1) = A_i+1 Î A_i = f(i). То, что сделано в предыдущем “доказательстве”, эту задачу не решает: например, не ясно даже, почему построенные элементы A₁ , A₂ , … образуют множество. Думаю, что каждый может привести несколько примеров, когда, не задумываясь, проводил подобные правдоподобные рассуждения, в которых скрыто неявное использование аксиомы выбора, на что первым обратил внимание Э. Цермело.

Итак, проведём рассуждения более формально. Рассмотрим следующее множество функций (не обязательно всюду определённых):

F = {f: N ® A | " i Î D(f) (i = i₊) Ú (f(i₊) Î f(i))}, где .

Формализуйте задание множества F самостоятельно. Множество F непусто, т.к. содержит, например, функции, определённые на множестве {1} : f = {(1, A₁)} Î F. Более того, наше неформальное построение можно использовать, чтобы обосновать существование таких функций с любой конечной областью определения D(f) = {1, … , n}. Однако, доказать без аксиомы выбора существование всюду определённой функции во множестве F, тем не менее, не удастся. Проще всего это сделать, используя лемму Цорна, предварительно убедившись, что любая цепь в частично упорядоченном множестве (F, Í) имеет верхнюю грань. Если С – цепь функций из F, то функция È {f Î C} Î F и является верхней гранью множества С. Значит, по лемме Цорна, во множестве F существует максимальный элемент m: N ® A. Если область определения D(m) функции m равномощна N, то существует биективное отображение i: N ® D(m), и f = moi : N® A будет искомым отображением. Если же D(m) конечно, то это противоречит максимальности m : если k = max D(m), то $ В Î m(k), и m можно расширить, вопреки максимальности: m Ì m È {(k+1; B)} Î F.

Теорема доказана.

Упражнение.Постарайтесь видоизменить приведённое рассуждение, чтобы сразу получить всюду определённую функцию (без привлечения явно посторонних идей о равномощности).

Приглядевшись к этим рассуждениям, можно увидеть, что аналогичные проблемы выбора возникают даже при решении, например, следующей простой задачи: построить в произвольном неограниченном снизу частично упорядоченном множестве (А, £) бесконечно убывающую цепочку а₁ > a₂ > … > a_n > … Следует подчеркнуть, что проблемы появляются только тогда, когда порядок на А произволен, т.е. не обладает какими-либо дополнительными свойствами, облегчающими задачу. Например, в (R , £) это делается без аксиомы выбора, т.к. последовательность а_n = –n (n Î N) будет искомой. Решение получилось простым, из-за возможности заменить процедуру недетерминированного выбора явным заданием последовательности по аксиоме выделения. Если никаких аналогичных упрощений применить не удаётся, то без аксиомы выбора в подобной ситуации не обойтись.

Наконец, приведём обещанный пример неизмеримых множеств.

Теорема (о существовании неизмеримых по Лебегу множеств).Существуют множества в R , неизмеримые относительно любой нетривиальной (не равной тождественно нулю) меры (функции длины), инвариантной относительно сдвигов (т.е. оставляющей меру множества неизменной при параллельных переносах в R).

Доказательство. Рассмотрим отрезок [0; 1] и введём на нём отношение эквивалентности r по правилу хry « x – y Î Q . Очевидно, что это бинарное отношение будет в самом деле отношением эквивалентности (т.е. оно рефлексивно, симметрично и транзитивно). Множество [0; 1] разбивается, таким образом, на непересекающиеся между собой классы эквивалентных элементов. По аксиоме выбора для разбиений, в каждом из них можно выбрать по представителю, которые в совокупности образуют некоторое множество-выборку М. Докажем, что М – искомое неизмеримое множество.

В самом деле, " х Î [0; 1] $ ! m Î M x – m Î QÇ [0, 1]. Поэтому имеем:

[0; 1] Í È {M+q | q Î QÇ [0; 1]}, и " p, q Î Q Ç [0; 1] p ¹ q ® (M+q) Ç (M+p) = Æ. Действительно, если х Î (M+q) Ç (M+p) , то х = m + q = n + p, где n, m Î M, p, q Î Q , p ¹ q , т.е. m = n + (p – q) ¹ n : m и n – два различных элемента из одного класса эквивалентности, что противоречит построению выборки M.

Таким образом, отрезок [0; 1] оказался покрыт счётным числом непересекающихся между собой множеств вида M + q , полученных из М сдвигом на рациональные числа q. Если М измеримо инвариантной относительно сдвигов мерой m : R ® R , то m(М+q) = m(M) и m([0; 1]) £ m(È {M + q | q Î QÇ [0, 1]}) = (свойство счётной аддитивности меры). Последняя сумма представляет собой бесконечную сумму одинаковых слагаемых, равных m(M), так что для суммируемости этого ряда необходимо и достаточно условие m(M) = 0. Однако тогда получим m([0; 1]) = 0 и m(R) = = , вопреки условию нетривиальности меры.

Теорема доказана.

 

Следует отметить, что как бы то ни было, “корень зла” для теории множеств скрыт не в аксиоме выбора. Ещё К. Гёдель доказал, что аксиома выбора независима от остальных аксиом теории множеств. Значительно большее доказал П. Коэн: континуум-гипотезанезависима от аксиом теории множеств независимо от того, включается ли в список аксиом аксиома выбора, или нет, а аксиома выбора независима от остальных аксиом теории множеств независимо от того, включается ли в список аксиом континуум-гипотеза, или нет. Основная трудность в исследованиях этих проблем состоит в выяснении взаимоотношений перечисленных утверждений с аксиомой регулярности, которая накладывает жёсткие ограничения на потенциально-возможные мыслимые миры множеств, удовлетворяющих всем остальным аксиомам.

В заключение остановимся на ещё одном “теоретико-множественном парадоксе”, преграждающем и без того тернистый путь по извилистой тропе познания в поисках утраченной математической строгости. Он был приведён в письме Берри к Расселу и является упрощением “парадокса Тарского”.

Рассмотрим множество M всех тех натуральных чисел, которые могут быть однозначно определены высказываниями, состоящими не более чем из тысячи букв русского алфавита. Это множество не пусто, поскольку число 1 можно определить, например, так: 1 – это “наименьшее натуральное число”. Ясно, что множество M конечно (т.к. конечно число различных осмысленных слов русского языка). Следовательно, множество N\ M бесконечно и, в частности, не пусто. Известно, что каждое непустое подмножество в N имеет наименьший элемент. В частности, такой наименьший элемент x существует в N\ M. По определению множества M, он не может быть определён высказыванием, состоящим не более чем из тысячи букв русского алфавита. С другой стороны, следующее определение: x – это “наименьший из элементов множества всех тех натуральных чисел, которые не могут быть определены высказываниями, состоящими не более чем из тысячи букв русского языка”, показывает, вопреки всем доводам рассудка, что xÎ M. Где ошибка ?

Конечно, можно сразу отмахнуться от этого парадокса, как от назойливой мухи – ведь сразу видно, что к той теории множеств, азы которой мы изучили, приведённое рассуждение не имеет никакого отношения, ибо задание множества М не формализовано. Тем не менее, полезно обсудить возникающие здесь проблемы, чтобы лучше понять отличие формальной теории от неформальных рассуждений.

Первый из возникающих вопросов: что значит “могут быть однозначно определены высказываниями …” Видимо, нужно понимать это следующим образом: для каждого m Î M существует высказывание о натуральных числах А(х), состоящее не более чем из тысячи букв русского алфавита, которое истинно тогда и только тогда, когда х = m. Однако это ещё не полностью проясняет смысл, ибо непонятным остаётся главное – что такое высказывание. В неформальном языке, это понятие не имеет чёткого определения (см. § 1 главы I), что и создаёт возможность для спекуляций, подобных той, что мы рассматриваем. Далее, в качестве примера, доказывающего, что множество М непусто приведено высказывание, определяющее натуральное число 1 : “1 – это наименьшее натуральное число”. Можно ли считать это определением ? Чёткого ответа дать невозможно, ясно только одно – это высказывание не является полным определением, ибо не даёт понятия о том, что такое натуральные числа, об отношении порядка на них и о наименьшем элементе. Кто возьмётся определить всё это одной фразой ?

Другой вопрос: можно ли в высказывании говорить о самом “множестве” М ? Если это допускается, то может возникнуть порочный круг, аналогичный тому, что был приведён при обсуждении аксиомы выделения. Запретить же такие высказывания нет возможности, ибо можно не ссылаясь непосредственно на М, включить в высказывание само свойство, определяющее М. Итак, мы видим, что чёткого понимания того, что требуется от элементов множества М, не возникает. Поэтому нет уверенности, что совокупность элементов, удовлетворяющих данному неформальному свойству, образует множество, ибо в списке аксиом Цермело-Френкеля нет аксиом, на основании которых построен объект М.

Тем не менее, попробуем построить совокупность натуральных чисел, входящих в М . Для этого необходимо выписать все фразы русского языка, состоящие не более чем из тысячи букв (их число конечно: оно не больше 33¹⁰⁰⁰ ), затем – отбросить все бессмысленные фразы и фразы, не являющиеся высказываниями (хотели бы Вы заняться такой работой ?!), и наконец, отсеять все высказывания, говорящие не о натуральных числах. После этого можно последовательно брать натуральные числа (начиная с 1) и просматривая весь список оставшихся высказываний, находить те, которым удовлетворяет только исследуемое число, откладывая их вместе с соответствующим числом в сторону. Кажется, что этот процесс приведёт в конечном итоге к построению всех элементов “множества” М… Так ли это ? В списке оставленных высказываний будет, например, следующее: “число х – наибольший из элементов множества всех тех натуральных чисел, которые могут быть определены высказываниями, состоящими не более чем из тысячи букв русского языка”. Какое число мы сопоставим этому высказыванию ? Можно было бы надеяться, что до поры до времени удастся отложить в сторону это высказывание, а в самом конце выяснится, какое число ему сопоставить. Эти надежды также не состоятельны, ибо дело здесь не в том, что речь идёт о максимальном элементе, а в том, что существуют высказывания, говорящие о самом объекте М. Например, высказывание “половина числа х меньше на пять меньше наибольшего из элементов множества всех тех натуральных чисел, которые могут быть определены высказываниями, состоящими не более чем из тысячи букв русского языка” тоже поставит нас в тупик. Таким образом, в конечном итоге перед нами останется список высказываний, ни одному из которых невозможно сопоставить ни одного натурального числа.

Таким образом, “множество” M образовано некорректно. Хотя никакой опасности для теории множеств этот парадокс не представляет, он позволяет высветить некоторые проблемы образования множеств, которые лишь подчёркивают совершенство аксиоматической теории множеств Цермело-Френкеля, вот уже около ста лет хранящего математический мир от подобных потрясений...

Упражнение. Может создаться впечатление, что в сложившейся патологической ситуации виновата свобода образования высказываний, обусловленная слишком либеральным ограничением (в тысячу букв) на длину высказывания. Убедитесь, что те же проблемы будут иметь место, если определить “множество” М следующим образом: M – множество всех тех натуральных чисел, которые могут быть однозначно определены высказываниями, состоящими не более чем из двадцати слов русского языка.