可數集

在数学上，可数集，或称可列集，是与自然数集的某个子集具有相同基數（等势）的集合。在这个意义下，可数集由有限可数集和無限可數集组成。不是可数集的无穷集称为不可数集。这个术语是康托尔创造的。可数集的元素，正如其名，是「可以计数」的：尽管计数有可能永远无法终止，集合中每一个特定的元素都将对应一个自然数。 「可数集」这个术语有时也指代可数无穷集，即仅代表能和自然数集本身一一对应的集合。两个定义的差别在于有限集合在前者中算作可数集，而在后者中不算作可数集。 为了避免歧义，前一种意义上的可数有时称为至多可数，后一种可数集则称为无限可数集。 如果从 S {\displaystyle S} 到自然數集合 N = { 1 , 2 , 3 , … } {\displaystyle \mathbb {N} =\left\{1,2,3,\ldots \right\}} 存在单射函数，则 S {\displaystyle S} 称为可数集。 如果 S {\displaystyle S} 还是满射，则同样是双射，则称 S {\displaystyle S} 是无限可数集。 换句话说，一个集合要想是无限可数集，它要和自然数集 N {\displaystyle \mathbb {N} } 有一一对应关系。 如上所述，这个术语不普遍：一些作者在这里使用可数来表示被称为“无限可数”，并没有包括有限集。 由定義易知所有偶數所構成的集合為可列的，因為我們可以將所有的 n {\displaystyle n} 都對應到 2 n {\displaystyle 2n} ，如此就完成了一一對應。類似地，不難證明所有整數構成的集合 Z {\displaystyle \mathbb {Z} } 、所有有理數構成的集合 Q {\displaystyle \mathbb {Q} } 、甚至所有代數數構成的集合都是可列的。 並非所有的無窮集都可數。喬治·康托首先指出存在有不可列的無窮集合。他利用他發明的對角論證法證明了由所有實數構成的集合 R {\displaystyle \mathbb {R} } 是不可列的，即 R {\displaystyle \mathbb {R} } 與 N {\displaystyle \mathbb {N} } 之間不可能存在一種一一對應。這同時也表示實數當中存在有一些數不是代數數，因為剛才已經說過代數數是可列的；於是這就給出了一種超越數存在的非構造性證明。 由定义，如果存在从 S {\displaystyle S} 到自然數集合 N = { 0 , 1 , 2 , 3 , … } {\displaystyle \mathbb {N} =\left\{0,1,2,3,\ldots \right\}} 存在单射函数 f : S → N {\displaystyle f:S\rightarrow \mathbb {N} } ，则 S {\displaystyle S} 称为可数集。 这似乎自然地把集合划分为不同类别：把所有包含一个元素的集合放在一起；包含两个元素的集合在一起......最后，把所有无限集合放在一起，并认为它们具有相同的大小。然而，在大小的自然定义下，这种观点是不确切的。 为了阐述这一点，我们需要一个双射的概念。虽然双射看起来比数更加高深，但原本数学发展中集论定义函数要先于数字。因为它们都是基于更简单的集合。这就引出了双射的概念： a ↔ 1 , b ↔ 2 , c ↔ 3 {\displaystyle a\leftrightarrow 1,b\leftrightarrow 2,c\leftrightarrow 3} 由于 { a , b , c } {\displaystyle \left\{a,b,c\right\}} 的每个元素都可以和 { 1 , 2 , 3 } {\displaystyle \left\{1,2,3\right\}} 中准确的一个配对，并且反过来也同样，这就定义了一个双射。 我们将这个情境一般化，定义当且仅当它们之间存在双射，两个集合的大小相同。对于有限集，这里给出了“大小相同”的常用定义。那么对于无限集呢？ 考虑集合 A = { 1 , 2 , 3 , … } {\displaystyle A=\left\{1,2,3,\ldots \right\}} （正整数集），和 B = { 2 , 4 , 6 , … } {\displaystyle B=\left\{2,4,6,\ldots \right\}} （正偶数集）。我们说，在我们的定义下，这些集合有相同的大小，并且因此B是无限可数集。我们需要证明它们之间存在双射。但这是很简单的，运用 n ↔ 2 n {\displaystyle n\leftrightarrow 2n} ，那么 1 ↔ 2 , 2 ↔ 4 , 3 ↔ 6 , 4 ↔ 8 , … {\displaystyle 1\leftrightarrow 2,2\leftrightarrow 4,3\leftrightarrow 6,4\leftrightarrow 8,\ldots } 正如前面的例子， A {\displaystyle A} 的每个元素都已和 B {\displaystyle B} 中准确的一个配对，并且反过来也同样。因而它们大小相同。这给出了一个集合与其一个合适的子集大小相同的例子，这种情形在有限集中是不可能的。 同样，自然数的有序对的集合，也就是自然數集合的笛卡爾積 N × N {\displaystyle \mathbb {N} \times \mathbb {N} } ，是无限可数集，可以沿着图中的一种路径： 配对结果就像这样： 0 ↔ ( 0 , 0 ) , 1 ↔ ( 1 , 0 ) , 2 ↔ ( 0 , 1 ) , 3 ↔ ( 2 , 0 ) , 4 ↔ ( 1 , 1 ) , 5 ↔ ( 0 , 2 ) , 6 ↔ ( 3 , 0 ) , … {\displaystyle 0\leftrightarrow (0,0),1\leftrightarrow (1,0),2\leftrightarrow (0,1),3\leftrightarrow (2,0),4\leftrightarrow (1,1),5\leftrightarrow (0,2),6\leftrightarrow (3,0),\ldots } 显然这个映射可以覆盖所有这些有序对。另一個證明方法是可以定義一個從自然數集合的笛卡爾積 N × N {\displaystyle \mathbb {N} \times \mathbb {N} } 到自然數集合 N {\displaystyle \mathbb {N} } 的單射函數 f ( p , q ) = 2 p 3 q {\displaystyle f(p,q)=2^{p}3^{q}} 。 利用數學歸納法，可知在n是個有限的自然數時，自然數集合的n-元笛卡爾積 ∏ i = 1 n N = { ( x 1 , … , x n )   |   x 1 ∧ … ∧ x n ∈ N } {\displaystyle \prod _{i=1}^{n}\mathbb {N} =\{(x_{1},\ldots ,x_{n})\ |\ x_{1}\land \;\ldots \;\land \;x_{n}\in \mathbb {N} \}} 是可數的。利用自然數集的笛卡爾積是可數的這點，可以證明整數集和有理數集是可數集，這是因為整數可以視為自然數的有序對（可將正整數 n {\displaystyle n} 給視為 ( n , 0 ) {\displaystyle (n,0)} ，將負整數 − n {\displaystyle -n} 給視為 ( 0 , n ) {\displaystyle (0,n)} ），而以最簡分數形式表示的有理數 p / q {\displaystyle p/q} 也可視為整數的有序對 ( p , q ) {\displaystyle (p,q)} 所致。 另外，可數無限多個可數集的聯集是可數的，這是因為可以定義一個單射函數，將可數無限多個可數集的聯集給映至自然數集合的笛卡爾積 N × N {\displaystyle \mathbb {N} \times \mathbb {N} } 之故。 不過可數無限多個自然數集合的笛卡爾積不是可數的，這可以透過康托的對角論證法證明。 Aleph数 计数 希尔伯特旅馆悖论 不可数集 有限集合 例子参见(Rudin 1976，Chapter 2) 参见(Lang 1993，§2 of Chapter I). 参见(Apostol 1969，Chapter 13.19) harv error: no target: CITEREFApostol1969 (help). 因为显然N和N* = {1, 2, 3, ...}之间显然存在双射，无所谓是否把0算作自然数。在任何情况，这篇文章都遵循ISO 31-11和数学逻辑中的标准传统，将0作为自然数。 Lang, Serge, Real and Functional Analysis, Berlin, New York: Springer-Verlag, 1993, ISBN 0-387-94001-4  Rudin, Walter, Principles of Mathematical Analysis, New York: McGraw-Hill, 1976, ISBN 0-07-054235-X