希爾伯特旅館悖論(西元1925年)

希爾伯特(David Hilbert,西元1862年~西元1943年)

在某個有五百間客房的旅館中,每個房間都有旅客入住;在下午時分抵達旅館的你被告知已經沒有多餘的客房,正當你打算無助地離開時,希爾伯特旅館悖論(the paradox of Hilbert’s Grand Hotel)登場了。想像一下這間旅館有著無數間客房,同樣每一間也都住了旅客;儘管旅館已經客滿了,櫃台還是可以挪出一間客房給你。這怎麼可能呢?更奇妙的是,就算同一天有數不清的旅客為了參加研討會而下榻同一間旅館,櫃台同樣可以滿足所有人的要求安排房間,藉此機會海削一票!

德國數學家希爾伯特在西元1920年代提出這個悖論,藉以描述無限這個概念不可思議的特質。讓我們來看看你究竟是如何住進希爾伯特的大旅館。當你隻身一人抵達客滿的旅館時,櫃台將原本住在一號房的客人挪到二號房、把原本住在二號房的客人挪到三號房⋯⋯以此類推,所以現在一號房就成為你的專屬客房了。而為了安排陸續抵達且無法盡數的旅客,櫃台就把已經入住的旅客通通移到偶數號的房間(原一號房改成二號房,原二號房成四號房,原三號房改成六號房⋯⋯),再把這些晚到的旅客通通安排進所有空出來的奇數號碼房。

康托爾的超限數(Cantor’s Transfinite number)理論可以用來解釋希爾伯特旅館悖論,亦即儘管在一間正常的旅館中,奇數號碼的房間數一定小於旅館的全部客房數,但是在一間有著無數客房的旅館中,奇數房的「數量」可不見得小於旅館全部客房的「數量」(數學家使用「基數」這個詞彙比較這些以無限客房為元素所組成的集合大小)。

摘自《數學之書》,由時報出版


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