3

61
13

文字

分享

3
61
13

「我和你之間的無限」——五条悟(五條悟)老師的能力竟與一個數學悖論有關!

數感實驗室_96
・2021/01/01 ・1495字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 430 ・四年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

繼《鬼滅之刃》的熱潮後,本季的新番動畫《咒術迴戰》亦來勢洶洶,特別是在動畫揭曉五条悟老師摘下眼罩後帥到天怒人怨的臉,以及近乎犯規的能力後,更引發了許多討論。而我們感興趣的是——五条悟老師的咒術與一個數學悖論有關。

株式會社 MAPPA《咒術迴戰》動畫片段

____________________防雷分隔線_______________________

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

____________________防雷分隔線_______________________

在動畫第七集中,五条悟讓對手漏瑚完全無法靠近他的手掌。他說:

「你觸碰到的是,我和你之間的無限。」

沒錯,這個能力和「芝諾悖論」有著異曲同工之妙。芝諾悖論的經典案例是:阿基里斯永遠追不上先起跑的烏龜。聽起來不合理吧?小孩子都能追上眼前的烏龜了,何況是號稱希臘第一勇士的阿基里斯?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
阿基里斯號稱希臘第一勇士《阿基里斯的凱旋》。圖/Wikimedia common

對此,芝諾悖論的說法是,假設阿基里斯跟烏龜之間有一段距離,當阿基里斯花時間跑完這段距離時,烏龜同一時間又走了一小段;阿基里斯再花一點時間跑這一小段,同一時間烏龜又再往前走一小段。不管距離多近,阿基里斯都得再花一點時間去追趕,而同一時間,烏龜又可以再往前跑一點點。

換句話說,「追趕者首先應該達到被追者出發之點」的前提,限制了阿基里斯前進的距離,所以只要烏龜持續前進,阿基里斯永遠都追不到烏龜。
破解這個悖論最快的方法就是帶數字算一次,假設阿基里斯的跑速 10 公尺/秒,烏龜速度則是 0.1 公尺/秒。今天,烏龜先跑 999 公尺,則阿基里斯每次追趕所花的時間分別是:

999÷10 = 99.9 秒
99.9 秒×0.1÷10 = 0.999 秒
0.999 秒×0.1÷10 = 0.00999 秒
……

我們可以得到一個首項 99.9,公比 0.01 的無窮等比數列,雖然因為公比小於 1,它會收斂在約 101,表示阿基里斯花 101 秒就能追上烏龜。但如果就有「幾項」來說,那的確是無限多項,這個就是五条悟老師說的「我和你之間的無限」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
芝諾悖論的經典案例──阿基里斯與烏龜。圖/Wikipedia

動畫中,五条悟老師運用了這個悖論,讓對手漏瑚彷彿被一隻無形的超慢烏龜擋住,每次只能前進一點點,更重要的是,他的咒術得以讓漏瑚每次前進的時間,沒有因為距離縮短而變小。

阿基里斯之所以能追上烏龜的關鍵是,雖然有無限多項,但後期追趕的時間趨近於零。所以只要漏瑚每次前進的時間依然維持定值,那他就會真的被一隻無形的超慢烏龜擋住,每次前進距離變得無限小,他花了無限多的時間,依然無法移動,宛若靜止。

不愧是有著逆天設定的五條悟老師,連咒術的講解都那麼簡單幾句帶過,數學老師好好講,一堂課都要過去了啦!

文章難易度
所有討論 3
數感實驗室_96
60 篇文章 ・ 40 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

0

26
3

文字

分享

0
26
3
比大還要再大!比「無窮」還要更大是什麼概念?——《不用數字的數學》
經濟新潮社
・2022/09/28 ・2660字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

我們都知道無窮(infinity)是什麼。無窮比任何數都更大。當你從一二三不停數下去的時候你會靠近它。它也是萬物甚至更多事物的總和。

我們談到無窮時,一定會想知道一件事:

什麼事物比無窮大?圖/經濟新潮社

比無窮還大?有可能嗎?

這個問題其實真的有答案。它不是開放性問題,也不是陷阱題。答案不是「是」就是「否」,而且我會在這一章的結尾公布答案。

讀者可以先猜猜看,但我們或許應該先訂好遊戲規則,讓大家知道該怎麼思考。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

具體說來,我們需要訂定關於「較大」的規則。我們要怎麼確定自己發現了比無窮更大的事物?如果是有限的量,要分辨某個事物比另一個事物更大相當容易,但碰到無窮時似乎就沒那麼簡單了。我們不希望完全靠感覺判斷,所以必須選擇簡單明瞭的規則,用來判定一個量是否比另一個量「更大」。

配對數量的多寡來判斷哪邊比較「大」

那麼,在一般、有限的狀況下,我們通常怎麼判定「較大」?我們說右邊這一堆比左邊的更大是什麼意思?

右邊這一堆比左邊的更大圖/經濟新潮社

沒錯,用看的就知道。但假設我們遇到一個外星人,這個外星人從沒聽過「更大」、「更多」、「更好」這些概念,我們該如何解釋右邊這堆較大?真的,試試看就知道。這個概念太基本了,其實很難從頭開始解釋。

當我們碰到困難時,數學中有個常用的技巧,就是提出完全相反的問題,看看會有什麼結果。我們要怎麼跟外星人解釋這兩堆的大小相同?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
我們要怎麼跟外星人解釋這兩堆的大小相同?圖/經濟新潮社

我們不能用「相等」這個詞,因為它正是我們要去解釋的東西。這個外星人想了解我們說兩樣事物「相等」或「相同」時是什麼意思,以及它的主要概念是什麼。

有個方法行得通。把兩堆東西並排起來,一個對一個。如果兩兩配對後正好用完,沒有剩餘,表示這兩堆東西大小相同。

如果兩兩配對後正好用完,沒有剩餘,表示這兩堆東西大小相同。圖/經濟新潮社
圖/經濟新潮社

「提出相反問題」的技巧確實有用。只要把這個規則反轉過來,就能得到「較大」的定義。

圖/經濟新潮社

現在問題已經定義清楚了,答案也隨之確定。那麼,世界上有什麼事物比無窮更大?答案是「是」還是「否」?世界上有什麼事物和無窮兩兩配對之後還有剩餘?現在我們可以思考之後猜猜看。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

無窮跟無窮 +1 誰比較大?

我們可以把無窮想成一個深不見底的袋子,裡面裝著無限多個物體。

我們可以從這個袋子裡拿出任意數量的物體,袋子裡也還剩下無限多個。

世界上怎麼可能有其他事物比它更大?好吧,如果是無窮加一呢?

多一個物體看來應該不會對無窮造成什麼影響,但我們用配對規則來確認看看。首先,我們可以把無窮袋中的物體排成一排,這樣比較容易看清楚哪個跟哪個配對。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果我們以最顯而易見的方式配對,無窮加一看起來當然更大。

不過要小心!規則指出,兩個事物必須無法正好兩兩配對,才會有一者較大。(最好經常回頭看清楚規則!)還有一種配對方法確實可行,而且兩方都不會有剩餘:

如果你覺得這樣好像在騙人,請花點時間告訴自己,這樣真的沒錯。我們不是把一個物體跟點點點配對,而是把它跟隱藏在點點點中的下一個物體配對。既然兩個袋子都有無限多個物體,不會有物體配對不到,所以兩者大小相同。無窮加一等於無窮!

我來講個故事說明這個結果有多奇怪。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

無窮大飯店!如何塞進無窮 +1 位客人

假設我們在一家非常特別的「無窮大飯店」當櫃臺接待人員。無窮大飯店有無限多間房間。飯店裡有條長長的走廊,沿著走廊有一排房門,連綿不絕地延續下去,無論走多遠都不會結束。走廊沒有盡頭,所以也沒有「無窮號房」或「最後一號房」。當然有一號房,每間房間也都有下一號房。

今天晚上格外忙碌,飯店裡每間房間都住滿了(對,這個世界裡有無限多個人)。如果沿走廊隨意走一段距離,選一扇門敲幾下,就會聽到:「有人!請勿打擾!」無限多間房間,裡面住著無限多個人。

接著有人從外面走進飯店大廳說:「請問還有房間嗎?」我們不是第一天在無窮大飯店工作,當然知道該怎麼做。我們拿起廣播系統麥克風說:「各位來賓,抱歉打擾一下,請各位來賓搬到下一間房間。沒錯,請收拾好行李,走出房門,朝遠離大廳的方向搬到下一間房間。謝謝合作,祝您有個愉快的夜晚。」大家都照做之後,就有房間給新住客了。

無限多間房間,無限多加一位住客,房間跟住客依然正好兩兩配對。無窮加一等於無窮。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

無窮加五、無窮加一兆……都沒關係,這個邏輯全都成立。兩個袋子可以正好配對,可以多裝進一位客人。無窮非常大,任何有限的量根本沒得比。所以我們還沒有找到比無窮更大的事物。

——本文摘自《不用數字的數學:讓我們談談數學的概念,一些你從沒想過的事……激發無窮的想像力!》,2022 年 9 月,經濟新潮社,未經同意請勿轉載。

4

8
5

文字

分享

4
8
5
如果《咒術迴戰》的五條悟是隻貓,還會是最強的嗎?—— 淺談「藍眼白貓」的遺傳缺陷
安之_96
・2021/10/13 ・2437字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

繼《鬼滅之刃》後,最火紅的動漫莫過於 MAPPA 出品的《咒術迴戰》。這是一個關於負面情緒會產生詛咒,以及袱除詛咒的咒術師之間的熱血故事。五條悟是早期登場的人物之一,也是與男主角虎杖悠仁,並駕齊驅的高人氣角色,更是戰力與顏質的天花板!

即使是沒看過動畫的人,應該多少都有聽過五條悟造成轟動的絕世美顏。一頭白髮之外,更有著天空般清澈的碧藍雙眼。然而,這雙眼睛,可不只是漂亮而已,更是故事設定中強大的「六眼」,讓五條悟輕鬆獲得戰力天花板的稱號。而粉絲創作貓化的五條悟更是絕世可愛!

然而,白髮碧眼這種設定,在真實世界中,可能不是一個好消息,至少對貓來說!

這裡其實有一大段可歌可泣的遺傳學知識!

白髮碧眼的亮眼外形,對真實世界中的貓不是好消息;圖為「五條悟」。圖/IMDB

講到遺傳學,就勢必得提到基因。所謂的基因,就像是在螢幕後 coding 的工程師可以下達的每一道指令,最終會呈現出獨一無二的個體。

而白貓的白毛,其實是一位化名「 W 基因」註2的工程師負責。W 基因(顯性基因)是 w 基因(隱性基因)的突變,由於會有較強勢的表現,屬於「體染色體顯性遺傳」。因此,只要帶有一個 W 基因,一定會是一隻白貓!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
影響白色的基因有 W(white)與 S(spots)基因,只要有突變的 W 基因則會是圖中右下角的全白貓;而若貓身上有黑 + 白,則是被 S 基因所影響,因此統一稱為白斑,而非黑斑。圖/Labgenvet

導致「白毛」及「藍眼」的因素—— W 基因

但 W 基因的工作,可不是只要複製貼上,當個薪水小偷就好!除了毛色之外,同時也要處理眼睛的顏色。這種身兼多職工程師的職稱,也就是所謂的「多效位基因註3」。

敏感的讀者應該馬上會發現,好像都跟顏色有關,難道W基因是在顏色部門工作嗎?沒錯!正是!

所謂的顏色,其實是由黑色素堆疊所呈現的。而黑色素細胞就像是工人,會生產、搬運、堆疊黑色素,由於量的不同,最終呈現出不同的顏色。

然而, W 基因在這份工作上,簡直跟流氓沒兩樣!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因為被前輩強迫複寫白毛基因,就把氣出在其他弱小的顏色部門人員身上。W 基因會大大影響黑色素工人的養成、調度、產出,嚴重影響進度,而這種行為稱為「遮蓋註4」。最終,導致黑色素的減少,而使個體趨向「白化」的表現註5

猫, 蓝眼睛, 这个动物, 眼睛, 毛皮, 白色的, 白可爱, Kitty猫
圖/Pixabay

但幸好,顏色部門除了W基因之外,還有許許多多其他工程師在努力工作圓場。這種需要開會大家一起決定的事情,也就是所謂的「多基因遺傳註6」。

因此,其實白貓不一定有藍眼,五條貓是可遇不可求的!

而顯然地,這種漂亮藍眼的代價是:會對光線較為敏感,也難怪五條貓還是要戴著眼罩或墨鏡!不過即使如此,要領域展開還是沒問題的!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不只管毛色,缺乏「黑色素」將導致耳聾!

W基因影響黑色素細胞其實茲事體大,不要以為有黑色素的只有明顯帶有顏色的毛髮、皮膚與眼睛,其實涉及黑色素細胞的部位,甚至還包含耳朵,更確切地說,是內耳的耳蝸

耳朵分成外、中與內耳,所謂的耳蝸(cochlea)位於內耳

那會造成什麼影響呢?

聽到聲音這件事,其實是藉由聲波打入耳蝸,像是一陣衝擊推倒一連串骨牌,由此傳遞神經訊號而引發聽覺。黑色素細胞工人在這邊的工作就是調節離子平衡,好比把倒掉的骨牌重新立好。

而缺乏黑色素細胞的白貓,便是少了這個調節的機制。而造成相關構造發育異常,最終導致先天性耳聾。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這種聽不見的狀況,會隨著白毛跟藍眼的不同組合套餐,而有不同發生的機率。

如果單純是白毛貓,有20%機率聽不見;若是白毛加上一隻藍眼睛,也就是所謂的「異色瞳」或是「陰陽眼」,則有40%。特別的是,若是異色瞳的狀況下,耳聾的通常會是有藍色眼睛那一側的耳朵!若是像五條貓的白毛與雙藍眼,則高達70-80%機率聽不見!

白貓與藍眼在不同搭配下出現耳聾的機率分布圖。圖/icatcare

因此,五條貓真的「八成」是聽不到聲音的!

但貓即使聽不見,也不大會影響生活。透過觸鬚與肉墊,還是能充分感受到周遭的狀況。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

總結而言,五條貓對光線較為敏感,且很可能聽不到。前者還可以靠戴墨鏡解決,但後者可會大大影響他成為「最強」。但無論如何,不管是人形還是貓形,五條悟在廣大粉絲中肯定永遠都是最強、最帥、最可愛的!

註解

  • 註 1:W 基因也就是 white gene 的簡稱,通常會用第一個字母的大寫來表示。
  • 註 2:體染色體顯性遺傳(Autosomal dominant inheritance):對偶基因中若有突變的 A 與正常 a,只要 A 出現則勢必會表現,也就是 AA 或 Aa 都會表現 A 的性狀。
  • 註 3:多效位基因(pleiotropic gene):一個基因可以同時控制兩種以上的性狀。
  • 註 4:遮蓋(masking gene):基因掩蓋了其他基因的表達,就像完全顯性等位基因掩蓋了其隱性對應物的表達一樣。
  • 註 5:雖然說白化,但白貓(white cat)與白化貓(Albino cat)是有所不同的,為了避免篇幅過長,且並非本篇重點,因此不多加贅述。
  • 註 6:多基因遺傳(Polygenic inheritance):某一性狀的表現由二個或二個以上的基因決定。例如身高、體重以及膚色。

參考資料

1. Richards J (1999). ASPCA Complete Guide to Cats: Everything You Need to Know About Choosing and Caring for Your Pet. Chronicle Books. p. 71.

2. Strain, G. M. (2007). Deafness in blue-eyed white cats: the uphill road to solving polygenic disorders. Veterinary Journal173(3), 471-472.

所有討論 4

0

16
8

文字

分享

0
16
8
搞懂「通用圖靈機」的第一站——康托爾的「無限樂園」 │《電腦簡史》數位時代(十二)
張瑞棋_96
・2020/12/07 ・3891字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文為系列文章,上一篇請見現代電腦從此展開——馮紐曼與馮紐曼架構 │《電腦簡史》數位時代(十一)

數學能不能判定?圖靈機的源起

在美國那些電腦先驅著手設計電腦之前,英國劍橋大學有位研究所新生已經發表論文,率先指出通用型電腦的可能性。這位學生就是後來有「電腦之父」、「人工智慧之父」等美譽,還在二戰期間發明電腦破解德軍密碼的天才——圖靈。

38 歲的圖靈。圖:Wikipedia

圖靈撰寫那篇論文的初衷極為特殊,與實際計算毫無關聯。之前介紹過的那些電腦先驅,若不是因為在就學期間經歷計算之苦,就是工作上遇到瓶頸,才會一頭栽入計算機的研究,希望透過機械化與自動化讓計算更快速、更準確。但圖靈都沒遇到這些狀況,他也沒想要解決實務上的技術問題。事實上,他的論文根本無關乎計算,而是要回答一個極為抽象的大哉問:數學是否可以判定?

什麼叫可以判定?這與計算機有什麼關係?要說清楚這來龍去脈,也為了搞懂圖靈所設想出來的通用圖靈機是什麼,得先探究另一個數學問題——「無限」。

象徵無限的符號。圖:Wikipedia

無限是什麼?康托爾挑戰數學界千年共識

從亞里斯多德以降,無限向來被視為一種潛無限 (potential infinity),是進行中的未完成狀態,不能當成實體看待,更不能比較大小,否則就會出現矛盾。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

例如伽利略便曾舉出一個悖論:自然數 (1、2、3、……) 與平方數 (1、4、9、……) 哪個比較多?照理說自然數當然遠比平方數還多,可是如果用一個蘿蔔一個坑來想的話,每個自然數都有個平方數與之對應 (1🡪12、2🡪22、3🡪32、……),表示有多少自然數,就有多少平方數,兩者一樣多,這不就前後矛盾了嗎?因此伽利略主張等於、大於、小於這些關係不能應用於無限。數學王子高斯也嚴正表示:「我反對將無限量看成真實的實體來運用,這在數學之中是永遠不被允許的。無限只是一種說法而已。」這句話可以說代表了所有數學家的共同看法。

沒想到 1874 年,不到 30 歲的德國數學家康托爾 (Georg Cantor) 竟然跳出來說:不對,無限大可以當成實體做比較,而且可區分大小,例如實數的集合就比自然數的集合大!

康托爾當然有所本才敢公然挑戰數學界長久以來的信念,不過他所提出的證明是用集合論的方法,不好解釋,我們改用他後來在 1891 年提出的「對角線法」來做說明。這不只是因為這個方法更簡潔易懂,更因為它影響深遠,啟發圖靈解決了判定問題,也才誕生出極具開創意義的「通用圖靈機」。

德國數學家康托爾 (Georg Cantor,1845-1918)。圖:Wikipedia

騙肖ㄟ,有理數和自然數一樣多?

首先讓我們重溫一下怎麼比較集合的大小。基本上只要集合所含的元素一樣多,它們就是一樣大,例如A={1,2,3},B={2,4,6},兩者的元素都是 3 個,所以 A 與 B 大小相等。問題是無限數列沒有止盡,要怎麼數有幾個?沒關係,同樣用一個蘿蔔一個坑的概念,只要兩個集合的元素彼此一一對應,就代表這兩個集合大小相等。所以按照這個定義,伽利略悖論就解決了:自然數的集合與平方數的集合一樣大。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

那麼自然數與有理數呢?可以用分數表示的數就是有理數,而光在 0 和 1 之間就有無限個分數,當然是有理數遠多於自然數啊!等等,且看康托爾怎麼巧妙地列出所有有理數:

1/1

1/2、2/1

1/3、2/2、3/1

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1/4、2/3、3/2、4/1

…………以此類推

第一行是分子與分母相加為 2 的有理數,第二行是分子與分母相加為 3 的有理數,第三行相加為 4、第四行相加為 5,……以此類推,便可以列出全部的有理數,一個都不漏。然後我們再由上往下,一行一行的由左向右依序為每個有理數編號:1、2、3、4、……,如此一來,有理數不就與自然數一一對應了嗎?所以有理數的集合與自然數的集合也是一樣大。(如果要涵蓋負的有理數,只要依樣放在這個三角形列表的右半部就行了)

到目前為止,我們看到自然數、平方數、有理數這些集合,雖然乍看明明大小不同,結果卻證明無限是不分軒輊的。那麼同樣是無限多的實數,憑什麼就比它們都來得大呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

比無限大還大?康托爾祭出對角線法

實數除了有理數,還包括無理數,也就是無法用分數表示的數,例如 \(\sqrt{2}\)、π、……等等,所以我們得用小數來列舉實數。先來看 0 與 1 之間的所有實數,也就是純小數。絕大部分的數字小數點後有無限多位數,所以沒辦法像有理數那樣依序一一列舉,不過沒關係,我們就不按大小順序而是任意列舉,例如:

  1.  0.541592653……
  2.  0.041719652……
  3.  0.862235975……
  4.  0.640194231……
  5.  0.234178276……

……

反正我們姑且假設所有純小數都在這張無限長的表格裡了,因此都有個自然數與它對應。現在對角線法要上場了。我們從第一行取小數點後第一個位數,第二行取第二位數,以此類推,可以得到一個小數:0.54217……。然後我們將每個位數都加上 1,會得到一個新的小數:0.65328……。

這個新的小數很特別喔,因為它和每一行的數字都有一個位數不符,表示它絕對不在這張表裡面,也就是這個小數沒被自然數對應到,前面假設所有純小數都在這張表並不成立。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

你可能會說:那還不簡單,再把這個新的小數加進去這張表就好啦。可是加了之後,我們仍然可以用剛剛的對角線法,又產生一個不在表中的新數字,因此永遠有自然數對應不到的小數,足以證明小數的集合比自然數還要大。

康托爾把自然數、有理數這類可列舉的數稱為「可數無限」,是最初級的無限,算是第 0 級。小數則是「不可數無限」,是第 1 級無限,比第 0 級無限還要大(註一)。就這樣,長達兩千年的普遍信念,一夕之間被康托爾徹底顛覆了,無限不再是無從比較的概念,而是可以明確區辨的實體。

現在你知道什麼是對角線法,已經可以直接到下一站,看看圖靈如何構思出計算機。不過康托爾還有許多令人驚奇的把戲,何不繼續往下一探究竟,看看自己有多少錯誤的迷思?

無限的無限的無限……——冪集合的威力

我們已經知道無限有分等級,而純小數的無限等級比自然數或有理數還大。那有比純小數更大的無限嗎?例如 0 到 100 之間的實數?既然實數屬於特殊的不可數無限,不能用前面證明有理數與自然數一樣多的列舉對應方式,那麼範圍更大的實數是不是無限等級就比較大? 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

直接宣布答案:不,都一樣大。即使是從負無限大到正無限大,涵蓋所有實數的集合仍然與 0 與 1 之間的純小數一樣大。怎麼證明?如下圖,我們畫一個直徑為 1 的半圓,在它下方畫一條代表往兩端無限延伸的直線。從這條直線上的任一點畫一條線與圓心相連,會與半圓相交於一點。這個點對應到直線上的位置一定會落在 0 與 1 之間,表示任一實數都會有一個純小數與之對應,所以所有實數的集合與純小數的集合一樣大。

講到這裡,你大概會以為無限就分兩種:自然數、有理數這類可數無限屬於第 0 級無限,小數、實數這類不可數無限屬於第 1 級無限。往上不會有更大的無限,畢竟實數都已經涵蓋所有數字了。沒想到康托爾就像魔術師從空無一物的帽子變出兔子般,竟然端出了比第 1 級無限更大的無限:冪集合

冪是次方的意思。一個包含 n 個元素的集合,它的子集合個數為 2n,把這些子集合當成元素全部集合在一起,就成為原來那個集合的冪集合。例如集合 A={1,2,3},那麼 A 的冪集合就是由空集合、{1}、{2}、{3}、{1,2}、{1,3}、{2,3}、{1,2,3},這 8 個集合為元素所構成的集合。

康托爾於 1891 年證明無限集合的冪集合是更大的無限(註二),例如自然數的集合是第 0 級無限,它的冪集合就是第 1 級無限;同理,實數的冪集合則是第 2 級無限。還沒完喔,實數的冪集合又可以組成更大的冪集合(就像上面舉例的 A 集合,它的冪集合的冪集合就有 28 =256 個元素),而誕生出第 3 級無限。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

你會想這樣不是沒完沒了嗎?沒錯,新的冪集合不斷衍生,無限的等級也越來越大,永無止盡。

康托爾掀起巨浪,自己卻反遭吞噬

原本一片渾沌的無限,經康托爾大刀一揮,不但有大小之分,而且宛如侏儸紀公園裡的恐龍,一隻比一隻巨大,更可怕的是完全沒有極限。不過康托爾革命性的創見並未獲得當時的主流認同,尤其他的老師公開嚴厲批判,不但造成康托爾謀求教職不順,更重創他的心靈。

1884 年開始,康托爾數度精神崩潰住院治療。出院後他曾一度放棄數學,轉而研究歷史與神學,但後來還是「雖千萬人吾往矣」,繼續打破無限的迷思,發明出影響深遠的對角線法。1900 年代初期,康托爾的研究成果終於逐漸獲得肯定,無奈 1917 年他最後一次進入療養院時,德國因為一次世界大戰戰情吃緊,實施食物配給。康托爾因此營養不良而健康惡化,隔年就在院內過世,享年73歲。

好了,無限樂園的導覽到此告一段落,下一章我們就要介紹圖靈。他的悲慘命運不下於康托爾,也是做出了無與倫比的貢獻,最後卻以悲劇結束一生。

註一:康托爾相信並不存在大小介於第 0 級與第 1 級之間的無限。但這至今仍無法證明,因此稱為「連續統假設」。

註二:康托爾就是為此而發明對角線法。證明方式與前面證明純小數比自然數多的做法類似,先假設冪集合可以與原來的集合完全對應,再證明冪集合中永遠有對應不到的元素,所以冪集合的無限等級又大一級。

張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 954 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。