第三章:悖論及其解決方案

      1 一連串悖論的出現(xiàn)

      羅素的悖論以其簡(jiǎn)單明確震動(dòng)了整個(gè)數(shù)學(xué)界,造成第三次數(shù)學(xué)危機(jī)。但是,羅素悖論并不是頭一個(gè)悖論。老的不說(shuō),在羅素之前不久,康托爾和布拉里·福蒂已經(jīng)發(fā)現(xiàn)集合論中的矛盾。

      羅素悖論發(fā)表之后,更出現(xiàn)了一連串的邏輯悖論。這些悖論使入聯(lián)想到古代的說(shuō)謊者悖論。即“我正在說(shuō)謊”,“這句話(huà)是謊話(huà)”等。這些悖論合在一起,造成極大問(wèn)題,促使大家都去關(guān)心如何解決這些悖論。

      頭一個(gè)發(fā)表的悖論是布拉里·福蒂悖論,這個(gè)悖論是說(shuō),序數(shù)按照它們的自然順序形成一個(gè)良序集。這個(gè)良序集合根據(jù)定義也有一個(gè)序數(shù)Ω,這個(gè)序數(shù)Ω由定義應(yīng)該屬于這個(gè)良序集。可是由序數(shù)的定義,序數(shù)序列中任何一段的序數(shù)要大于這段之內(nèi)的任何序數(shù),因此Ω應(yīng)該比任何序數(shù)都大,從而又不屬于Ω。這是布拉里·福蒂1897年3月28日在巴洛摩數(shù)學(xué)會(huì)上宣讀的一篇文章里提出的。這是頭一個(gè)發(fā)表的近代悖論,它引起了數(shù)學(xué)界的興趣,并導(dǎo)致了以后許多年的熱烈討論。有幾十篇文章討論悖論問(wèn)題,極大地推動(dòng)了對(duì)集合論基礎(chǔ)的重新審查。

      布拉里·福蒂本人認(rèn)為這個(gè)矛盾證明了這個(gè)序數(shù)的自然順序只是一個(gè)偏序,這與康托爾在幾個(gè)月以前證明的結(jié)果序數(shù)集合是全序相矛盾,后來(lái)布拉里·福蒂在這方面并沒(méi)有做工作。

      羅素在他的《數(shù)學(xué)的原理》中認(rèn)為,序數(shù)集雖然是全序,但并非良序,不過(guò)這種說(shuō)法靠不住,因?yàn)槿魏谓o定序數(shù)的初始一段都是良序的。法國(guó)邏輯學(xué)家茹爾丹找到—條出路,他區(qū)分了相容集和不相容集。這種區(qū)分實(shí)際上康托爾已經(jīng)私下用了許多年了。不久之后,羅素在1905年一篇文章中對(duì)于序數(shù)集的存在性提出了疑問(wèn),策梅羅也有同樣的想法,后來(lái)的許多人在這個(gè)領(lǐng)域都持有同樣的想法。

      布拉里·福蒂文章中對(duì)良序集有一個(gè)錯(cuò)誤的概念,這個(gè)概念是康托爾1883年引進(jìn)來(lái)的,但—直沒(méi)有受到什么重視。1887年8月,在布拉里·福蒂的文章發(fā)表以后,阿達(dá)馬在第一次國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)上仍然給出了一個(gè)錯(cuò)誤的良序集的定義。因?yàn)椴祭铮5偎紤]的關(guān)于良序集的概念太弱了,他不得不引進(jìn)自己的完全序。這兩個(gè)概念并不一致,每一個(gè)良序集是完全序集,但是反過(guò)來(lái)不對(duì)。布拉里·福蒂很快就認(rèn)識(shí)到他的錯(cuò)誤,他在1897年10月的一篇文章中指出這兩個(gè)概念的不同,但是他沒(méi)有重新檢查自己的證明。一直到1906年初他給庫(kù)圖拉的—封信中,他似乎還認(rèn)為:一旦良序集和完全序集的區(qū)別被人們認(rèn)識(shí)到,在他的文章中揭示的矛盾就會(huì)消除。

       

      康托爾1899年7月28日給戴德金的信中,談到布拉里·福蒂所提到的矛盾,這個(gè)矛盾并沒(méi)有導(dǎo)致康托爾放棄集合的良序性,而放棄了它的集合性。他把集合分為兩類(lèi):相容集合和不相容集合,而只把前者叫做集合。這種區(qū)分法預(yù)示了馮·諾依曼在1925年引進(jìn)的集合和類(lèi)的區(qū)別。但是康托爾對(duì)于這種區(qū)分的判斷標(biāo)準(zhǔn)仍然是不精確的。如果我們把一個(gè)集體考慮為一個(gè)對(duì)象而沒(méi)有矛盾,它是一個(gè)集合。這個(gè)想法后來(lái)改進(jìn)為:當(dāng)一個(gè)集體是另一個(gè)集體的元素,它是一個(gè)集合。

      這種相容集體和不相容集體的區(qū)別早已被施羅德引進(jìn)來(lái)。他認(rèn)為如果集體的元素彼此是相容的,它是相容的;而如果集體的元素彼此是不相容的,它是不相容的。有趣的是施羅德引進(jìn)的這種區(qū)分和悖論沒(méi)有關(guān)系,因?yàn)檫@種現(xiàn)代形式的悖論當(dāng)時(shí)還不知道。康托爾關(guān)于集體的敘述——兩個(gè)等價(jià)的集體或者都是集合,或者都是不相容的,可以看成是取代公理的最早的表述。這個(gè)公理是弗蘭克爾和斯科蘭姆在1922年提出的。

      布拉里·福蒂的悖論揭示了康托爾集合論的矛盾。其實(shí),康托爾本人在這之前已經(jīng)意識(shí)到集合論的內(nèi)在矛盾。他在1899年7月28日給戴德金的信中指出,不能談?wù)撚梢磺屑蠘?gòu)成的集合,否則就會(huì)陷入矛盾。這實(shí)際上就是羅素悖論的內(nèi)容。

      康托爾最大基數(shù)悖論和布拉里·福蒂悖論到羅素悖論都是集合論悖論,它們直接同康托爾樸素集合論的不嚴(yán)格性有關(guān)。毛病出在集合的定義上,也就是任何性質(zhì)就對(duì)應(yīng)一個(gè)具有這種性質(zhì)的集合,這就是所謂內(nèi)函公理組。集合論的這種矛盾必須通過(guò)削弱這個(gè)錯(cuò)誤的公理組才能解決。

      羅素的悖論發(fā)表之后,接著又發(fā)現(xiàn)一系列悖論(后來(lái)歸入所謂語(yǔ)義悖論):

      1、理查德悖論。法國(guó)第戎中學(xué)教師理查德在1905年發(fā)表了一個(gè)悖論,大意如下:法語(yǔ)中某些片語(yǔ)表示實(shí)數(shù),比如“一個(gè)圓的圓周與直徑之比”就表示實(shí)數(shù)π。法語(yǔ)字母也象英語(yǔ)字母一樣有一定的順序,所以我們可以把所有片語(yǔ)按照字母順序排列,然后按照片語(yǔ)中字母的多少排列,少的在前,多的在后。這樣我們把能用片語(yǔ)表達(dá)的實(shí)數(shù)排成一個(gè)序列,al,a2,a:,……。于是就得到了所有能用有限多字(字母)定義的數(shù)了。它們構(gòu)成了一個(gè)可數(shù)集合E。現(xiàn)在我們提出一個(gè)規(guī)則把這個(gè)序列改變一下造成一個(gè)數(shù)來(lái):“設(shè)E中第n個(gè)數(shù)的第n位為p,我們?cè)煲粋(gè)實(shí)數(shù)如下:其整數(shù)部分為0,如果p不是8或9;其第n位小數(shù)為p+1,要是p是8或9的話(huà),則第n位變成1”。這個(gè)實(shí)數(shù)顯然不屬于E,因?yàn)樗虴中每個(gè)數(shù)都不一樣。但是它們卻可以由上面有限多個(gè)字組成的話(huà)來(lái)表示,因此應(yīng)該屬于E,這就出現(xiàn)矛盾。

      理查德提出的悖論是因?yàn)榭吹椒▏?guó)《純粹科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)通論》1905年3月30日一期的編者按語(yǔ)而寫(xiě)的。編者談到,1904年8月在德國(guó)海德?tīng)柋ふ匍_(kāi)的國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)上,德國(guó)數(shù)學(xué)家寇尼格證明連續(xù)統(tǒng)是不能夠良序化的。可是一個(gè)月后,德國(guó)數(shù)學(xué)家策梅羅卻證明了任何集合都能良序化,理查德從這段話(huà)中看到了集合論中存在“某些矛盾”,這些矛盾和良序性和序數(shù)的概念有關(guān)系,于是他給該刊物編輯部寫(xiě)了一封信,登在1905年6月號(hào)上,編者還加了按語(yǔ)。

      2、培里悖論。培里是英國(guó)的圖書(shū)館管理員。有一天他告訴羅素下面的悖論:英語(yǔ)中只有有限多個(gè)音節(jié),只有有限多英語(yǔ)表達(dá)式包含少于40個(gè)音節(jié),所以,用少于40個(gè)音節(jié)的表達(dá)式表示的正數(shù)數(shù)目只有有限多個(gè)。假設(shè)R為不能由少于40個(gè)普的英語(yǔ)表達(dá)式來(lái)表示的最小正整數(shù)(The least positive integer which is not denotedby an expression in the English language containing fewer than forty syllables)。但是,這段英語(yǔ)只包含三十幾個(gè)音節(jié),肯定比40個(gè)少,而且表示R,這自然產(chǎn)生了矛盾。

      3.格瑞林和納爾遜悖論。納爾遜是新康德主義的小流派之一弗瑞斯派的代表。1908年他和他的學(xué)生格瑞林把下面的悖論發(fā)表在弗瑞斯派的一個(gè)文集上,通常稱(chēng)為格瑞林悖論。如果一個(gè)形容詞所表示的性質(zhì)適用于這個(gè)形容詞本身,比如“黑的”兩字的確是黑的,那么這個(gè)形容詞稱(chēng)為自適用的。反之,一個(gè)形容詞如果不具有自適用的性質(zhì),就叫做非自適用的。在英語(yǔ)中:“Polysyllabic”(多音節(jié)的),“English”(英語(yǔ)的)這些詞都是自適用的形容詞,而“monosyllabic”(單音節(jié)的)、“French”(法語(yǔ)的)這些詞就是非自適用的。現(xiàn)在我們來(lái)考慮“非自適用的”這個(gè)形容詞,它是自適用的還是非自適用的呢?如果“非自運(yùn)用的”是非自適用的,那么它就是自適用的;如果“非自適用的”是自適用的,那么按照這詞的意思,則它是非自適用的,這就導(dǎo)出矛盾。
       

       
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