Kardinální číslo
Z Multimediaexpo.cz
m (1 revizi) |
m (Nahrazení textu „<math>“ textem „<big>\(“) |
||
Řádka 3: | Řádka 3: | ||
Kardinální čísla byla popsána [[Georg Cantor|Georgem Cantorem]], když se v letech 1874 až 1884 pokoušel zavést [[teorie množin|teorii množin]], která se dnes nazývá [[naivní teorie množin|naivní]]. | Kardinální čísla byla popsána [[Georg Cantor|Georgem Cantorem]], když se v letech 1874 až 1884 pokoušel zavést [[teorie množin|teorii množin]], která se dnes nazývá [[naivní teorie množin|naivní]]. | ||
Nejdříve zavedl kardinalitu jako nástroj pro porovnávání konečných množin. Například množiny {1,2,3} a {2,3,4} si nejsou ''rovny'', ale mají ''stejnou kardinalitu''. | Nejdříve zavedl kardinalitu jako nástroj pro porovnávání konečných množin. Například množiny {1,2,3} a {2,3,4} si nejsou ''rovny'', ale mají ''stejnou kardinalitu''. | ||
- | Dále Cantor zavedl [[bijekce|bijekci]], pomocí které lze jednoduše ukázat, zda dvě konečné množiny mají stejnou kardinalitu. Použitím bijekce aplikoval svou myšlenku i na nekonečné množiny, například na [[přirozené číslo|přirozená čísla]]. Zavedl i pojem [[spočetná množina]] pro každou množinu, která má stejnou kardinalitu jako množina přirozených čísel. Kardinál spočetných množin pojmenoval < | + | Dále Cantor zavedl [[bijekce|bijekci]], pomocí které lze jednoduše ukázat, zda dvě konečné množiny mají stejnou kardinalitu. Použitím bijekce aplikoval svou myšlenku i na nekonečné množiny, například na [[přirozené číslo|přirozená čísla]]. Zavedl i pojem [[spočetná množina]] pro každou množinu, která má stejnou kardinalitu jako množina přirozených čísel. Kardinál spočetných množin pojmenoval <big>\(\aleph_0</math> (aleph 0). |
- | Cantora zajímalo, zda každá nekonečná množina je spočetná. Pomocí takzvané [[Cantorova diagonální metoda|diagonální metody]] dokázal, že tomu tak není a popsal nový kardinál, ''kardinál kontinua'', dnes běžně značený ''c''. Ukázal, že existuje nejmenší nekonečné kardinální číslo (< | + | Cantora zajímalo, zda každá nekonečná množina je spočetná. Pomocí takzvané [[Cantorova diagonální metoda|diagonální metody]] dokázal, že tomu tak není a popsal nový kardinál, ''kardinál kontinua'', dnes běžně značený ''c''. Ukázal, že existuje nejmenší nekonečné kardinální číslo (<big>\(\aleph_0</math>) a též že pro každé kardinální číslo existuje kardinální číslo, které je větší (<big>\(\aleph_1, \aleph_2, \aleph_3, \cdots</math>). |
- | Později vyslovil tvrzení známé jako [[hypotéza kontinua]]. To říká, že ''c'' = < | + | Později vyslovil tvrzení známé jako [[hypotéza kontinua]]. To říká, že ''c'' = <big>\(\aleph_1</math>. Ukázalo se, že jeho platnost je nezávislá na standardních axiomech teorie množin, a proto nemůže být na základě nich dokázáno ani vyvráceno. |
== Definice == | == Definice == | ||
- | [[Ordinální číslo]] < | + | [[Ordinální číslo]] <big>\( \alpha \,\! </math> nazveme '''kardinálním číslem''' (nebo '''kardinálem'''), pokud každé menší ordinální číslo <big>\( \beta < \alpha \,\! </math> má i menší [[mohutnost]] (tj. <big>\( \alpha \,\! </math> nelze [[Bijekce|vzájemně jednoznačně zobrazit]] na žádnou podmnožinu <big>\( \beta \,\! </math>). Označíme-li jako <big>\( Cn \,\! </math> třídu všech kardinálních čísel a <big>\( On \,\! </math> třídu všech ordinálních čísel, můžeme zapsat tuto definici ve tvaru: |
- | < | + | <big>\( \alpha \isin Cn \Leftrightarrow ( \forall \beta) (\beta < \alpha \implies \neg (\beta \approx \alpha)) </math> |
- | '''Kardinální čísla''' jsou obvykle značena písmeny ze středu řecké alfabety < | + | '''Kardinální čísla''' jsou obvykle značena písmeny ze středu řecké alfabety <big>\( \kappa, \lambda, \mu \,\! </math>, aby se odlišila od ordinálních čísel, pro která jsou používána písmena ze začátku alfabety: <big>\( \alpha, \beta, \gamma \,\! </math> |
== Vztah kardinálních čísel k mohutnosti == | == Vztah kardinálních čísel k mohutnosti == | ||
- | Kardinální čísla jsou vhodnými kandidáty k reprezentování jednotlivých [[Relace ekvivalence|tříd ekvivalence]] podle relace < | + | Kardinální čísla jsou vhodnými kandidáty k reprezentování jednotlivých [[Relace ekvivalence|tříd ekvivalence]] podle relace <big>\( \approx \,\! </math> (viz článek [[mohutnost]]).<br /> |
- | Je-li < | + | Je-li <big>\( x \,\! </math> množina, kterou lze vzájemně jednoznačně zobrazit na kardinál <big>\( \lambda \,\! </math>, říkáme, že <big>\( \lambda \,\! </math> je '''mohutnost''' množiny <big>\( x \,\! </math> a píšeme <big>\( |x| = \lambda \,\! </math>. |
Otázka, které množiny lze vzájemně jednoznačně zobrazit na nějaký kardinál, není úplně jednoduchá: | Otázka, které množiny lze vzájemně jednoznačně zobrazit na nějaký kardinál, není úplně jednoduchá: | ||
# každé ordinální číslo lze zobrazit na nějaký kardinál | # každé ordinální číslo lze zobrazit na nějaký kardinál | ||
Řádka 20: | Řádka 20: | ||
== Vlastnosti a příklady kardinálních čísel == | == Vlastnosti a příklady kardinálních čísel == | ||
# [[Přirozené číslo|Přirozená čísla]] (tj. konečná ordinální čísla) jsou zároveň kardinálními čísly. | # [[Přirozené číslo|Přirozená čísla]] (tj. konečná ordinální čísla) jsou zároveň kardinálními čísly. | ||
- | # Množina < | + | # Množina <big>\( \omega \,\! </math> všech přirozených čísel je první nekonečný kardinál a zároveň jediný [[Spočetná množina|spočetný]] kardinál. Pokud existují nějaké další kardinály, jsou již [[Nespočetná množina|nespočetné]]. A ony existují: |
# Ke každému kardinálu existuje větší kardinál. | # Ke každému kardinálu existuje větší kardinál. | ||
- | # Třída < | + | # Třída <big>\( Cn \,\! </math> všech kardinálů je [[vlastní třída]] [[Izomorfismus|izomorfní]] s třídou <big>\( On \,\! </math> všech ordinálů – kardinály lze tedy očíslovat ordinálními čísly tak, aby žádný nechyběl a žádný nepřebýval. |
- | Která konkrétní nekonečná ordinální čísla jsou tedy zároveň kardinály, když jich existuje tolik? Prvním z nich je, jak již víme, < | + | Která konkrétní nekonečná ordinální čísla jsou tedy zároveň kardinály, když jich existuje tolik? Prvním z nich je, jak již víme, <big>\( \omega \,\! </math>. Pokusme se najít nějaký další: |
- | * ordinální čísla < | + | * ordinální čísla <big>\( \omega + 1, \omega + 2, \omega + 3, \ldots \,\! </math> jsou spočetná – nejsou to tedy kardinály, protože mají stejnou mohutnost, jako menší ordinál <big>\( \omega \,\! </math> |
- | * ordinální čísla < | + | * ordinální čísla <big>\( \omega + \omega = \omega.2, \omega.3, \omega.4, \ldots \,\! </math> jsou stále spočetná |
- | * ordinální čísla < | + | * ordinální čísla <big>\( \omega . \omega = \omega^2, \omega^3, \omega^4, \ldots \,\! </math> jsou stále spočetná |
- | * ordinální čísla < | + | * ordinální čísla <big>\( \omega^{\omega}, \omega^{\omega^{\omega}}, \omega^{\omega^{\omega^{\omega}}}, \ldots \,\! </math> jsou stále spočetná |
- | * dokonce i [[supremum]] předchozí posloupnosti (označované někdy jako < | + | * dokonce i [[supremum]] předchozí posloupnosti (označované někdy jako <big>\( \epsilon_0 \,\! </math>) je stále spočetné |
- | Jak je vidět, za < | + | Jak je vidět, za <big>\( \omega \,\! </math> následuje ve třídě ordinálních čísel veliké hluché místo, ve kterém není žádný kardinál – pokud se budeme snažit postupovat třídou ordinálních čísel nahoru pomocí operací [[ordinální aritmetika|ordinální aritmetiky]] jako v předchozím příkladu, zůstávají další kardinály kdesi daleko za obzorem. |
== Funkce alef == | == Funkce alef == | ||
- | Obdobné tvrzení, jako číslo 4 v odstavci Vlastnosti a příklady kardinálních čísel, platí i pro třídu všech nekonečných kardinálů < | + | Obdobné tvrzení, jako číslo 4 v odstavci Vlastnosti a příklady kardinálních čísel, platí i pro třídu všech nekonečných kardinálů <big>\( Cn - \omega \,\! </math> – také existuje izomorfismus mezi ní a <big>\( On \,\! </math>.<br /> |
- | Tato izomorfní funkce je obvykle nazývána prvním písmenem hebrejské abecedy – alef, a značena < | + | Tato izomorfní funkce je obvykle nazývána prvním písmenem hebrejské abecedy – alef, a značena <big>\( \aleph \,\! </math>. |
- | * < | + | * <big>\( \aleph_0 = \omega </math> je nejmenší nekonečný kardinál – množina přirozených čísel |
- | * < | + | * <big>\( \aleph_1 </math> je nejmenší nespočetný kardinál |
- | * pro každý ordinál < | + | * pro každý ordinál <big>\( \alpha \,\! </math> existuje kardinál <big>\( \aleph_{\alpha} </math>, má tedy dobrý smysl ptát se, jak asi vypadají kardinály <big>\( \aleph_2, \aleph_3, \aleph_{\omega}, \aleph_ {\omega^{\omega} + \omega.5 + 127} </math> |
- | Dá se ukázat, že funkce < | + | Dá se ukázat, že funkce <big>\( \aleph \,\! </math> je [[normální funkce]] (tj. rostoucí a spojitá pro [[limitní ordinál]]y) na ordinálních číslech. Lze dokázat, že každá taková funkce má ve třídě <big>\( On \,\! </math> nekonečně mnoho pevných bodů (tyto pevné body dokonce tvoří vlastní třídu izomorfní s <big>\( On \,\! </math>. |
- | Aplikováno konkrétně na funkci < | + | Aplikováno konkrétně na funkci <big>\( \aleph \,\! </math>: existuje obrovské (ve smyslu „hodně, ale opravdu hodně nekonečné“) množství ordinálů <big>\( \alpha \,\! </math>, pro které platí, že <big>\( \alpha = \aleph_\alpha </math>. |
- | Pokud si toto dáme dohromady s výsledkem našeho hledání < | + | Pokud si toto dáme dohromady s výsledkem našeho hledání <big>\( \aleph_1 \,\! </math> v předchozím oddílu, vidíme, že funkce <big>\( \aleph \,\! </math> má opravdu podivné vlastnosti: |
- | * na jedné straně hrozně rychle roste (už její druhá hodnota – < | + | * na jedné straně hrozně rychle roste (už její druhá hodnota – <big>\( \aleph_1 \,\! </math> je hodně daleko od její první hodnoty <big>\( \aleph_0 \,\! </math>) |
- | * na druhé straně asi někde musí hodně přibrzdit, protože existují místa (libovolně velké ordinály), kde úplně ztratí náskok před „nejpomaleji rostoucí“ identickou funkcí < | + | * na druhé straně asi někde musí hodně přibrzdit, protože existují místa (libovolně velké ordinály), kde úplně ztratí náskok před „nejpomaleji rostoucí“ identickou funkcí <big>\( Id: Id(\alpha) = \alpha \,\!</math> – v takovýchto pevných bodech platí <big>\( \aleph_{\alpha} = Id(\alpha) = \alpha \,\! </math> |
== Kardinální aritmetika == | == Kardinální aritmetika == | ||
Na třídě kardinálních čísel lze definovat stejně jako na třídě ordinálních čísel běžné aritmetické operace součtu, součinu a mocniny – rozdíl spočívá v tom, že zatímco u ordinálních operací hovořím o „typu dobrého uspořádání“ výsledné množiny, u kardinálních operací mě zajímá mohutnost výsledné množiny. Vlastnostmi těchto operací se zabývá samostatný článek [[kardinální aritmetika]] | Na třídě kardinálních čísel lze definovat stejně jako na třídě ordinálních čísel běžné aritmetické operace součtu, součinu a mocniny – rozdíl spočívá v tom, že zatímco u ordinálních operací hovořím o „typu dobrého uspořádání“ výsledné množiny, u kardinálních operací mě zajímá mohutnost výsledné množiny. Vlastnostmi těchto operací se zabývá samostatný článek [[kardinální aritmetika]] |
Verze z 14. 8. 2022, 14:48
V matematice se pojem kardinální číslo, někdy též kardinál, pojí s čísly používanými pro popis velikosti množin. Jelikož se matematika zabývá i nekonečnými objekty, kardinální čísla a mohutnosti množin popisují i nekonečné množiny.
Obsah |
Historie
Kardinální čísla byla popsána Georgem Cantorem, když se v letech 1874 až 1884 pokoušel zavést teorii množin, která se dnes nazývá naivní. Nejdříve zavedl kardinalitu jako nástroj pro porovnávání konečných množin. Například množiny {1,2,3} a {2,3,4} si nejsou rovny, ale mají stejnou kardinalitu. Dále Cantor zavedl bijekci, pomocí které lze jednoduše ukázat, zda dvě konečné množiny mají stejnou kardinalitu. Použitím bijekce aplikoval svou myšlenku i na nekonečné množiny, například na přirozená čísla. Zavedl i pojem spočetná množina pro každou množinu, která má stejnou kardinalitu jako množina přirozených čísel. Kardinál spočetných množin pojmenoval \(\aleph_0</math> (aleph 0). Cantora zajímalo, zda každá nekonečná množina je spočetná. Pomocí takzvané diagonální metody dokázal, že tomu tak není a popsal nový kardinál, kardinál kontinua, dnes běžně značený c. Ukázal, že existuje nejmenší nekonečné kardinální číslo (\(\aleph_0</math>) a též že pro každé kardinální číslo existuje kardinální číslo, které je větší (\(\aleph_1, \aleph_2, \aleph_3, \cdots</math>). Později vyslovil tvrzení známé jako hypotéza kontinua. To říká, že c = \(\aleph_1</math>. Ukázalo se, že jeho platnost je nezávislá na standardních axiomech teorie množin, a proto nemůže být na základě nich dokázáno ani vyvráceno.
Definice
Ordinální číslo \( \alpha \,\! </math> nazveme kardinálním číslem (nebo kardinálem), pokud každé menší ordinální číslo \( \beta < \alpha \,\! </math> má i menší mohutnost (tj. \( \alpha \,\! </math> nelze vzájemně jednoznačně zobrazit na žádnou podmnožinu \( \beta \,\! </math>). Označíme-li jako \( Cn \,\! </math> třídu všech kardinálních čísel a \( On \,\! </math> třídu všech ordinálních čísel, můžeme zapsat tuto definici ve tvaru: \( \alpha \isin Cn \Leftrightarrow ( \forall \beta) (\beta < \alpha \implies \neg (\beta \approx \alpha)) </math> Kardinální čísla jsou obvykle značena písmeny ze středu řecké alfabety \( \kappa, \lambda, \mu \,\! </math>, aby se odlišila od ordinálních čísel, pro která jsou používána písmena ze začátku alfabety: \( \alpha, \beta, \gamma \,\! </math>
Vztah kardinálních čísel k mohutnosti
Kardinální čísla jsou vhodnými kandidáty k reprezentování jednotlivých tříd ekvivalence podle relace \( \approx \,\! </math> (viz článek mohutnost).
Je-li \( x \,\! </math> množina, kterou lze vzájemně jednoznačně zobrazit na kardinál \( \lambda \,\! </math>, říkáme, že \( \lambda \,\! </math> je mohutnost množiny \( x \,\! </math> a píšeme \( |x| = \lambda \,\! </math>.
Otázka, které množiny lze vzájemně jednoznačně zobrazit na nějaký kardinál, není úplně jednoduchá:
- každé ordinální číslo lze zobrazit na nějaký kardinál
- dobře uspořádanou množinu lze izomorfně zobrazit na nějaký ordinál a ten pak vzájmeně jednoznačně na nějaký kardinál – to znamená, že dobře uspořádanou množinu lze zobrazit vzájemně jednoznačně na nějaký kardinál
- pokud přijmu axiom výběru, pak z principu dobrého uspořádání plyne, že každou množinu lze dobře uspořádat – a tím i zobrazit na nějaký kardinál.
- pokud nepřijmu axiom výběru nebo nějakou jeho obdobu, mám bohužel smůlu a v mém světě množin mohou existovat jedinci, pro které nelze mohutnost definovat výše uvedeným způsobem
Vlastnosti a příklady kardinálních čísel
- Přirozená čísla (tj. konečná ordinální čísla) jsou zároveň kardinálními čísly.
- Množina \( \omega \,\! </math> všech přirozených čísel je první nekonečný kardinál a zároveň jediný spočetný kardinál. Pokud existují nějaké další kardinály, jsou již nespočetné. A ony existují:
- Ke každému kardinálu existuje větší kardinál.
- Třída \( Cn \,\! </math> všech kardinálů je vlastní třída izomorfní s třídou \( On \,\! </math> všech ordinálů – kardinály lze tedy očíslovat ordinálními čísly tak, aby žádný nechyběl a žádný nepřebýval.
Která konkrétní nekonečná ordinální čísla jsou tedy zároveň kardinály, když jich existuje tolik? Prvním z nich je, jak již víme, \( \omega \,\! </math>. Pokusme se najít nějaký další:
- ordinální čísla \( \omega + 1, \omega + 2, \omega + 3, \ldots \,\! </math> jsou spočetná – nejsou to tedy kardinály, protože mají stejnou mohutnost, jako menší ordinál \( \omega \,\! </math>
- ordinální čísla \( \omega + \omega = \omega.2, \omega.3, \omega.4, \ldots \,\! </math> jsou stále spočetná
- ordinální čísla \( \omega . \omega = \omega^2, \omega^3, \omega^4, \ldots \,\! </math> jsou stále spočetná
- ordinální čísla \( \omega^{\omega}, \omega^{\omega^{\omega}}, \omega^{\omega^{\omega^{\omega}}}, \ldots \,\! </math> jsou stále spočetná
- dokonce i supremum předchozí posloupnosti (označované někdy jako \( \epsilon_0 \,\! </math>) je stále spočetné
Jak je vidět, za \( \omega \,\! </math> následuje ve třídě ordinálních čísel veliké hluché místo, ve kterém není žádný kardinál – pokud se budeme snažit postupovat třídou ordinálních čísel nahoru pomocí operací ordinální aritmetiky jako v předchozím příkladu, zůstávají další kardinály kdesi daleko za obzorem.
Funkce alef
Obdobné tvrzení, jako číslo 4 v odstavci Vlastnosti a příklady kardinálních čísel, platí i pro třídu všech nekonečných kardinálů \( Cn - \omega \,\! </math> – také existuje izomorfismus mezi ní a \( On \,\! </math>.
Tato izomorfní funkce je obvykle nazývána prvním písmenem hebrejské abecedy – alef, a značena \( \aleph \,\! </math>.
- \( \aleph_0 = \omega </math> je nejmenší nekonečný kardinál – množina přirozených čísel
- \( \aleph_1 </math> je nejmenší nespočetný kardinál
- pro každý ordinál \( \alpha \,\! </math> existuje kardinál \( \aleph_{\alpha} </math>, má tedy dobrý smysl ptát se, jak asi vypadají kardinály \( \aleph_2, \aleph_3, \aleph_{\omega}, \aleph_ {\omega^{\omega} + \omega.5 + 127} </math>
Dá se ukázat, že funkce \( \aleph \,\! </math> je normální funkce (tj. rostoucí a spojitá pro limitní ordinály) na ordinálních číslech. Lze dokázat, že každá taková funkce má ve třídě \( On \,\! </math> nekonečně mnoho pevných bodů (tyto pevné body dokonce tvoří vlastní třídu izomorfní s \( On \,\! </math>. Aplikováno konkrétně na funkci \( \aleph \,\! </math>: existuje obrovské (ve smyslu „hodně, ale opravdu hodně nekonečné“) množství ordinálů \( \alpha \,\! </math>, pro které platí, že \( \alpha = \aleph_\alpha </math>. Pokud si toto dáme dohromady s výsledkem našeho hledání \( \aleph_1 \,\! </math> v předchozím oddílu, vidíme, že funkce \( \aleph \,\! </math> má opravdu podivné vlastnosti:
- na jedné straně hrozně rychle roste (už její druhá hodnota – \( \aleph_1 \,\! </math> je hodně daleko od její první hodnoty \( \aleph_0 \,\! </math>)
- na druhé straně asi někde musí hodně přibrzdit, protože existují místa (libovolně velké ordinály), kde úplně ztratí náskok před „nejpomaleji rostoucí“ identickou funkcí \( Id: Id(\alpha) = \alpha \,\!</math> – v takovýchto pevných bodech platí \( \aleph_{\alpha} = Id(\alpha) = \alpha \,\! </math>
Kardinální aritmetika
Na třídě kardinálních čísel lze definovat stejně jako na třídě ordinálních čísel běžné aritmetické operace součtu, součinu a mocniny – rozdíl spočívá v tom, že zatímco u ordinálních operací hovořím o „typu dobrého uspořádání“ výsledné množiny, u kardinálních operací mě zajímá mohutnost výsledné množiny. Vlastnostmi těchto operací se zabývá samostatný článek kardinální aritmetika
Související články
- Kardinální aritmetika
- Ordinální číslo
- Ordinální aritmetika
- Mohutnost
- Singulární kardinál
- Regulární kardinál
- Kofinál
- Hypotéza kontinua
- Zobecněná hypotéza kontinua
- Hypotéza singulárních kardinálů
Náklady na energie a provoz naší encyklopedie prudce vzrostly. Potřebujeme vaši podporu... Kolik ?? To je na Vás. Náš FIO účet — 2500575897 / 2010 |
---|
Informace o článku.
Článek je převzat z Wikipedie, otevřené encyklopedie, do které přispívají dobrovolníci z celého světa. |