公設化集合論的奧秘(15) 突破可數無限的星航艦企業號

無需證據就能肯定的事情，同樣也可以無需證據就能否定。

-歐幾里德（Euclid）古希臘數學和邏輯學家

當筆者還是一位教書匠時，時常鼓勵學生應該多讀數學，不是因為數學的實用性，而是因為它是訓練邏輯的基礎。愛因斯坦（A. Einstein）曾經說過：「就其方式而言，純數學是邏輯思想的詩歌。」而26歲時就提出了反物質的存在、奠定了量子電動力學基礎的狄拉克（Paul Dirac）更認為數學幫助他了解物理定律（宇宙）。我們不是大物理學家，在這裡只能介紹一個簡單的、 2300年前的數學━幾何（geometry），看它如何能幫助我們了解我們日常生活中的邏輯。

歐幾里德

歐幾里德（Euclid）大約於西元前 300 年生於埃及亞歷山大。我們對歐幾里德的生平知之甚少，只有希臘哲學家普羅克洛斯（Proclus，410-485 年）在其《希臘著名數學家》總結中提到：歐幾里德在托勒密一世（Ptolemy I Soter，公元前 323 年至公元前 285 年）統治時期在亞歷山大任教。儘管如此，雖然歷史上有過更偉大的數學家，也有過更重要的數學家，但如果說數學界有家喻戶曉的名字，那非「歐幾里德」莫屬！歐幾里德對人類文明的長期影響可以說非常深遠：幾個世紀以來，數學和歐幾里德在整個西方世界幾乎是同義詞。

歐幾里德的《幾何原本》（The Element of Geometry，通常縮寫為 Elements）是有史以來最著名數學著作之一。印刷術發明後，這部著作是最早以印刷形式出現的書籍之一：它出版了超過一千種不同的版本，只有《聖經》比它多。《幾何原本》通常被描述為一本幾何書，但它事實上也涉及數論和一種以幾何形式呈現的原型代數。

歐氏幾何

歐幾里德有兩大創新。其一是「證明」的概念：除非是從已知為真的命題中推導出來，歐幾里德拒絕接受任何數學命題為真。第二項創新是認識到任何事物都要始於無法被證明的某些「假設」。因此，歐幾里德預先提出了五個基本假設作為其所有推論的基礎：兩點可以用一條線連接；任何有限的線都可以延伸；可以以任意圓心和任意半徑畫一個圓；所有直角都相等；及兩條直線可以平行永不相交。

對歐幾里德來說，邏輯證明是幾何學的本質特徵，而「證明」至今仍是數學事業的基石。缺乏證明的命題無論有多少間接證據支持它、或蘊含意義多麼重要，都會被（合理地）懷疑。歐幾里德公理━他精心挑選的邏輯推論鏈━的影響極為深遠。例如，他用當時被認為無可挑剔的邏輯證明了：一旦同意他的公理，你就必然得出不能理解之「無理數」存在的結論！

嚴格的邏輯證明

「無理數」是不能用兩個整數相除來精確表達的實數。所以要證明x不是一個無理數，我們只要能找出兩個實數來表達它即可。例如利用高速電腦或人腦，我們發現可以用 40/99 表達 1.212121……，所以 1.212121…… 不是無理數。可是如果我們也同樣地想利用高速電腦來證明 \(\sqrt{2}\) = 1.4142135……呢？我們可以在一秒鐘內完成成千上萬的嘗試；但如果在數年後，我們還是找不到一組整數來表達\(\sqrt{2}\) 時，我們能下結論說 \(\sqrt{2}\) 是無理數嗎？不能，因為對歐幾里德來說，這不是嚴格的邏輯證明（註一）！

同樣地，費馬（Fermat）大定理於 1637 年提出，謂若 n 大於 2（n>2），則沒有任何三個整數 a,b,c 可滿足 aⁿ+bⁿ=cⁿ 方程式。隨著時間的推移，這個簡單的定理成為數學界最著名的未證命題之一。許多數學家和業餘愛好者要麼適用於所有 n>2 的值，要麼針對特定情況，試圖證明這一命題，推動了數論領域全新的發展。最初是手工證明，後來是計算機證明，找到了最高可達 400 萬的所有 n 值；儘管如此，因為不是嚴格的邏輯證明，數學家還是不能肯定該定律的正確性。

英國數學家懷爾斯爵士（Sir Andrew Wiles）於 1993 年 6 月 23 日首次公佈了他的證明，不幸地該證明在三個月後被發現含一個錯誤。一年後的 1994 年 9 月 19 日，懷爾斯在其自謂為「職業生涯中最重要的時刻」時偶然發現了一個啟示，使他能夠修正該錯誤，於 1995 年令歐幾里德、數學界滿意地嚴格證明了費馬大定理的正確性。

又雖然早在公元五百年左右就有印度數學家懷疑圓周率 π 是無理數；但兩千年過去了，雖然還是找不到一組整數來表達它，還是沒有任何數學家敢說π是無理數。1761 年法國數學家蘭伯特 (Johann Heinrich Lambert) 終於首次嚴格地證明了π 為一無理數！

非歐幾里德幾何學

歐幾里德之五個初始、無法被證明的命題似乎都是大家很容易認定或接受的日常生活經驗。但事實上，歐幾里德的第五公設「兩條直線可以平行永不相交」遠非那麼合理明顯。因此許多數學家一直在懷疑可以從其它四個假設中推導出來（刪除它），或者能用更簡單、與其它一樣明顯的東西代替。但到了十九世紀，數學家們終於證明了它不能從其它四個假設中推導出來，明白了歐幾里德加入第五個公設是絕對正確的！

我們之所以認為「兩條直線可以永不相交」是合理的是因為我們生活在平面宇宙中：例如如果宇宙是二維空間，那我們就是生活在一張無限大的平面白紙上。但如果我們是生活在一個圓球的表面上呢？事實上我們不正是生活在一個圓球的地球表面上嗎？！但因我們的生活圈太小了，故整個周圍看起來好像一平面上而已。如果在地球表面上我們將兩「平行線」（註二）往同一方向延長不到一萬公里，它們是會相交於一點的（如果該兩點是在赤道上，那麼垂直於赤道的兩「平行線」將相交於北極或南極）。所以「兩條直線可以永不相交」在地球上不但不合理，根本完全是錯誤的假設━它只適用於日常生活中。

這些合理的懷疑歐幾里德之第五公設並沒有付諸流水。1854年，黎曼（Bernhard Riemann）在一次著名的演講中建構了無限多的非歐幾里德幾何族，為非歐幾里德幾何學邁出了決定性的一步。其中最簡單的一族缺乏平行線的公設，被稱為「非歐幾何」（non-Euclidean Geometry）。

在歐幾里德幾何裡，兩點之間的最短距離是一條直線；在非歐幾里德幾何球體表面上，兩點之間的最短距離則是沿著球體表面的大圓弧路徑(稱為測地線，註三）。在歐幾里德幾何裡，三角形內角總和為180度；但在非歐幾里德幾何球體表面上，由三個大圓弧組成的球體表面三角形內角總和則大於180度。

非歐幾何與物理

非歐幾何的發展對數學和物理學產生了深遠的影響。它顯示歐幾里德幾何並非唯一邏輯一致的體系，為愛因斯坦的相對論鋪平了道路。

牛頓物理學從根本上來說是使用平坦的歐幾里德空間和通用時間的概念來描述運動，因此當地球不沿著直線運動時，牛頓必須用重力來解釋。愛因斯坦的相對論運用非歐幾何來描述彎曲時空，謂重力並非一種力，而是時空曲率的表現：巨大的太陽彎曲了其附近時空，地球只是沿著這一彎曲時空中之「最直」的路徑（測地線）運動而已。

同樣地，牛頓物理學假設重力只對有質量的物體施加力，而光是無質量的，因此光應該永遠沿著直線傳播。但愛因斯坦廣義相對論將重力描述為時空的彎曲(不是力)，光將在這彎曲的時空沿著「直線」（測地線）傳播，但我們觀察到的將是「光不沿著直線傳播」！愛因斯坦的這一成功預測使他「瞬間」成為家喻戶曉的科學家（「延伸閱讀1」）。

歐幾里德幾何的社會邏輯

人類可能是唯一知道死是怎麼一回事的動物，因此很早就在尋找生命的目的，很難接受霹靂一聲、無中生有地出現了時間、空間、及能量的近代宇宙觀（「延伸閱讀2」）。因此許多人認為我們來到這個世界是有目的的，我們是「上帝」（註四）創造出來的。因此「上帝」存在成了一個大家能接受、不需要證明的合理「公設」。對信教的人來說，它解釋了日常生活中的所有現象。對愛因斯坦及一些科學家來說：如果不是超人的「上帝」，為什麼我們看到的宇宙能不可思議地依循某些定律井然有序地運轉，但我們只是朦朧地了解這些定律？

在「延伸閱讀3」裡，筆者提到了要證明上帝的存在是很困難的，但要證明上帝不存在更加困難！因此「上帝不存在」也是屬於「不能證明、不需要回答的合理假設」，所以在民主國家裡人人有宗教信仰或不信仰的自由。

在社會上要證明某人沒有博士學位很困難甚或不可能（註五），因此能被接受、不需要證明之唯一合理假設應該是「人人沒有博士學位」。在這前提下，如果你說你有博士學位，則證明有博士學位的責任應該落在你身上，而不是檢察官或具告人!

同樣地，因為證明我們沒有犯罪很困難甚或不可能，所以「我們沒有犯罪」應該是唯一的不需要證明之合理假設；如果你控告我犯罪，那法庭應該要你（告訴人或檢察官）提出不被懷疑及合理質疑的證據。這事實上正是民主國家所採取的法律制度。

結論

歐幾里德的專著《幾何原本》為幾何學提供了一個系統而公理化的方法：他從一組不證自明的真理（公理和公設）出發，運用演繹推理推導出定理和證明，為數學的嚴謹性和邏輯推理確立了標準，塑造了數學家和科學家解決問題和建構理論的方式，甚至影響了數學以外的各個領域如法律和政治思想，在人類社會發展中發揮了基礎性作用。例如美國傑斐遜（Thomas Jefferson）和其他開國元勳們就是運用歐幾里德演繹法構建了《獨立宣言》：他們從類似於歐幾里德幾何的「不證自明」的真理━公理━入手，建立邏輯論證，以證明革命和建立新政府的必要性。因為這些基本原則被普遍接受，無需進一步證明，因此賦予了《獨立宣言》強大而不可否認的力量。

我們在這裡探討了日常生活中所碰到的宗教信仰、學位真假、與犯罪判決的爭論與判斷，得到結論：人人有宗教信仰或不信仰的自由，確定犯罪的責任在檢察官身上，證明有學位的義務則落在當事人身上!

註釋

• （註一）嚴格地證明 \(\sqrt{2}\) 是無理數很簡單，有興趣的讀者可參考「延伸閱讀3」。
• （註二）原則上必須是趨近於零的短線。
• （註三）大圓弧是球體上任何圓心與球心重合的圓（例如赤道）。但是因為天氣、急流和空域限制等因素，航班並不沿著大圓弧路徑飛行，例如台北到舊金山的實際航線比大圓弧長了約10%。
• （註四）這裡指的「上帝」是抽象的、廣泛的超人造物主。
• （註五）在「延伸閱讀4」一文裡，筆者提到了要證明有博士學位應該是非常簡單的，如拿出正式的畢業證書或學校出證明；但要外人證明你沒有博士學位，則將與證明上帝不存在一樣更加困難：因為即使我們找遍全世界所有的地方，都沒發現你的論文或證書，我們還是不能說你沒有博士學位的博士學位━因為這不是「嚴格的邏輯證明」！

延伸閱讀

1. 「抱歉了愛因斯坦，但我真的沒辦法給那個酷理論——為何相對論與諾貝爾獎擦身而過？」，泛科學，2021/07/28。
2. 「思考的極限：宇宙創造出「空間」與「時間」？ ——宇宙觀的發展史（下篇）｜20 世紀後」，泛科學，2023/05/17。
3. 「愛因斯坦相信的上帝，是你以為的那位上帝嗎？」，泛科學，2018/03/30。
4. 「要被接受，需有不被合理質疑的證據–從科學與蔡博士學位事件討論起」，科技報導，2020/02/01。
5. 「從圓周率與無理數，談數學也有其無法理解、不精確、與不確定性」，泛科學，2019/06/03。

延續之前的努力，我們雖然試過聯集（加法）和笛卡爾乘積（乘法），仍然沒能突破可數無限的藩籬，可見如來佛這隻手比我們想像中還要寬。在陷入困境的時刻，忽然想到在數學運算裡，減法和除法會讓數值變小，而加法和乘法會讓數值變大。但哪種運算可以讓數值增加得更「快」一些呢？ 我們任意拿兩個數，比如3和5來觀察看看：

3+5 = 8      3×5= 15    3⁵ = 243

我們發現對任意兩個正數，乘法得到的結果比加法得到的結果大，而指數運算得到的結果又比乘法大。依此進行推想，如果在集合運算裡有類似指數運算的話，那它很有可能就是我們得以突破可數無限集合的「星航艦企業號」，問題只剩下：這樣的東西存在嗎？

確實有這樣一個東西，它在日常數學（也就是非基礎數學）裡雖然並不常見，卻是集合論的「常備良藥」。我們就來見識一下它的模樣：

定義6：A和B都是集合，我們定義從A到B的所有函數所成的集合為B^A = {F〡F : A→ B為函數}

這個定義很容易讓人誤以為B^A指的就是函數 ƒ： A→ B，於是認為B^A只不過是函數ƒ 的另一個寫法罷了，但這種誤認卻是致命的。

當我們說函數 ƒ：A→B時，我們說的是某個特定的序對集合ƒ，這些序對的前項由A的元素構成而後項則由B的元素構成，所以函數ƒ的成員由序對形成。

舉個例子就能清楚了，比如A = 2而B = 3。那麼 ƒ 會是怎樣的型態呢？有人心裡可能會嘀咕說2和3不是自然數嗎？它們怎麼能夠充當定義域和對應域來形成函數呢？之所以有這種疑惑是因為集合論的馬步沒蹲扎實所致，才會忘了自然數本身就是集合啊！（請參考《公設化集合論的奧秘 (5)》） 所以自然數2 = {0, 1}，自然數3 = {0, 1, 2}，因此函數

ƒ: 2 → 3 就是
ƒ: {0, 1} → {0, 1, 2}。

現在我們可以據此定義一個個別函數，比如恆等函數（identity function） ƒ_i: x → x，它等於序對(0, 0) 和(1, 1) 所形成的集合{(0, 0), (1, 1)}。再比如說常數函數（constant function） ƒ_c: x → 2，則不論是0還是1，它們的函數值都等於2，所以函數ƒ_c就等於序對集合{(0, 2), (1, 2)}。

有了以上的例子我們澄清了B^A是從A到B的各種可能函數所形成的集合 {ƒ_i, ƒ_c, ƒ_s, …}，而不是任何特定函數ƒ_k。某個特定函數 ƒ: A→ B的成員是序對，但B^A的成員則是函數。接下來需要確認的是這個定義是否捕捉到指數的核心本質？我們可以問當A = 2且B = 3時，B^A有幾個成員？對於定義域的兩個元素0和1來說，它們各有3種選擇來形成序對，那就是（0, 0）、（0, 1）、（0, 2）和（1, 0）、（1, 1）、（1, 2）。

若要形成任何特定的函數ƒ_k，就必須從前面三個序對中選出某一個，然後再配上後面序對中的任一個，比如我們從前後都選第一個序對而形成{(0, 0), (1, 0)}這種函數組合。這樣的話所有可能的組合方式共有3+3+3 = 9種，也就是共有9個函數成員，正好是B^A=3² = 9。因此對於有限數值來說，B^A 的定義與指數運算相契合。

最後為了表明自己是公設化集合論的內行人，請不要忘記驗證B^A為「合法」集合。對於任意序對 (a, b)，a∈A且 b ∈ B 來說，( a, b) ∈ A X B，由於它們是函數的元素，所以由序對構成的函數F必定是A X B的子集，也就是F ⊆ A X B。由於冪集合是把子集作為元素而形成的集合，所以F ∈ P (A X B) 。我們在《公設化集合論的奧秘 (14)》中已經證明笛卡爾乘積A X B是集合，現在面對A X B 的冪集合P (A X B)，我們根據ZF7 冪集合公設得知P (A X B)也是集合，因此P (A X B)的子集B^A是集合沒錯。

有了B^A這個武器之後，我們發現可以將原先只限於有限數值的指數運算擴展到無限集合，比如說2^N。我們想知道這個運算是否能「飛出」可數無限集合的範圍? 對於有限數值的指數運算，我們有明確的規則和定義: 比如 2⁵ 就是將2連乘5次，而對任何自然數k，2^k就是將2連乘k次。在沒有定義B^A之前，我們並不知道2^N或2^ω代表甚麼意思，但我們現在知道2^N是指所有以下這種函數所成的集合:

F: {0, 1, 2, 3, 4…} → {0, 1}

這種集合的對應域很簡單，不過就是0跟1，那它看起來會像甚麼呢? 想像有一排被編上號碼的電燈泡，從最左邊的0號開始一直往右無盡延伸，越往右邊號碼越大，每個函數F就相當於一種亮燈的方式。比如若F定義域裡的所有自然數的値都對應到1，那就相當於燈泡全亮的狀態，反之如果F定義域裡的所有自然數値都對應到0，那就是燈泡全暗的狀態。依此類推，每個特定的F都表示一種亮燈狀態，而這些燈泡的各種明暗組合方式就構成2^N集合。

這看起來和我們在《公設化集合論的奧秘 (7)》裡提過的全體自然數的冪集合P(N)很像，所以我們要問: 2^N的尺寸是否與P(N)相同? 也就是它們的基數〡P(N)〡與〡2^N〡是否相等? 要證明這一點就必須在P(N)與2^N之間找到一個一對一且映成的函數ƒ，那樣就證明了〡P(N)〡=〡2^N〡。

由於P (N) 的元素是某個自然數的子集A ⊆ N，所以我們的目標是要將某個A（比如{0, 1, 2}）與2^N的元素之間建立起函數關係，也就是在

ƒ : P(N) → 2^N

之間尋找一對一且映成關係。但2^N的元素本身就是函數，該如何試當選取以完成這個艱難任務呢? 我們可以試著用特徵函數（characteristic function）來充當2^N的元素，其定義如下:

I_A: N → {0, 1}

它的意思是說如果某個x 剛好是A裡的元素，那麼它的函數值等於1，也就是這個編號的燈泡是亮的。反之若x不是A裡的元素，那函數值等於0，也就是這個編號的燈泡是暗的。因此我們可以把函數ƒ 看成是一張書面指令和燈泡明暗組合之間的對應關係，由P(N)裡挑選出來的子集A可以看成是一道指令，它裡面包含的元素就是要點亮的燈號。當這條指令經由ƒ 送到特徵函數I_A時，特徵函數就根據A指令佈署亮燈的方式，若函數值為1就是亮燈，若函數值為0就關燈。

我們以A = {0, 1, 2}作例子，A裡的元素等於是指令，讓我們依據指令將那幾個編號(0, 1, 2)的燈泡點亮，因此特徵函數據此進行判別之後就決定了一種亮燈的方式，也就是只有前3盞燈是亮的，而編號2之後的所有燈泡全是暗的。很容易可以看出若指令不同的話，也就是A ≠ B，則亮燈的方式也會有所不同，也就是I_A ≠ I_B。這就表示

ƒ : P(N) → 2^N
A → I_A

為一對一函數。反之對任何一種亮燈方式，也就是特徵函數IA，我們都可以找到某個指令A ∈ P(N) 使得ƒ (A) = I_A，因此ƒ為映成。既然ƒ 為一對一且映成函數，所以它們等量，也就是〡P(N)〡=〡2^N〡。

由於康托的對角線方法已經證明P(N)為不可數集合，因此與它等量的2^N也同樣為不可數集合。終於成功了！2^N運算讓我們擺脫可數無限的枷鎖而得以遨遊太虛之中，直達玄妙的不可數無限的領地，我們也使得冪集合P (N) 與2^N在此相遇。從無限尺寸的觀點來看，它們（P(N)和2^N）是同一個東西。在《公設化集合論的奧秘 (11)》裡我們證明了實數也是不可數的，那麼P(N)和2^N與實數的尺寸是否一樣大呢？有辦法可以證明嗎？這就只有等下回再分解了。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

煮湯時看到調理包背面寫著「加水且加入鹽巴或味精，就大功告成了」。

這句話該怎麼解讀呢？邏輯思維好的人可能很快就能反應過來，意思是加水是必須的，鹽巴和味精至少要加一個。當然，兩者都加也行，但似乎不太健康。

你可能會說：「煮湯時誰會想那麼多？這太哲學了！」其實，19 世紀有位數學家將邏輯建立在數學而非哲學之上，他的貢獻深深影響了現代電腦的運算。他就是我們今天的主角——喬治．布爾（George Boole）。

在工作會議中，清晰的邏輯思維能幫助我們有條理地表達觀點，並迅速理解他人的意見；程式設計中，邏輯是核心，透過布林代數和邏輯運算，電腦能根據條件執行不同的任務，在智慧家電中利用邏輯閘判斷多個輸入條件來控制輸出結果。

因此，布爾提出的這一套邏輯思維與布林代數，不僅在學術領域至關重要，更是日常生活中不可或缺的工具。

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延續之前的努力，我們雖然試過聯集（加法）和笛卡爾乘積（乘法），仍然沒能突破可數無限的藩籬，可見如來佛這隻手比我們想像中還要寬。在陷入困境的時刻，忽然想到在數學運算裡，減法和除法會讓數值變小，而加法和乘法會讓數值變大。但哪種運算可以讓數值增加得更「快」一些呢？ 我們任意拿兩個數，比如3和5來觀察看看：

3+5 = 8      3×5= 15    3⁵ = 243

我們發現對任意兩個正數，乘法得到的結果比加法得到的結果大，而指數運算得到的結果又比乘法大。依此進行推想，如果在集合運算裡有類似指數運算的話，那它很有可能就是我們得以突破可數無限集合的「星航艦企業號」，問題只剩下：這樣的東西存在嗎？

確實有這樣一個東西，它在日常數學（也就是非基礎數學）裡雖然並不常見，卻是集合論的「常備良藥」。我們就來見識一下它的模樣：

定義6：A和B都是集合，我們定義從A到B的所有函數所成的集合為B^A = {F〡F : A→ B為函數}

這個定義很容易讓人誤以為B^A指的就是函數 ƒ： A→ B，於是認為B^A只不過是函數ƒ 的另一個寫法罷了，但這種誤認卻是致命的。

當我們說函數 ƒ：A→B時，我們說的是某個特定的序對集合ƒ，這些序對的前項由A的元素構成而後項則由B的元素構成，所以函數ƒ的成員由序對形成。

舉個例子就能清楚了，比如A = 2而B = 3。那麼 ƒ 會是怎樣的型態呢？有人心裡可能會嘀咕說2和3不是自然數嗎？它們怎麼能夠充當定義域和對應域來形成函數呢？之所以有這種疑惑是因為集合論的馬步沒蹲扎實所致，才會忘了自然數本身就是集合啊！（請參考《公設化集合論的奧秘 (5)》） 所以自然數2 = {0, 1}，自然數3 = {0, 1, 2}，因此函數

ƒ: 2 → 3 就是
ƒ: {0, 1} → {0, 1, 2}。

現在我們可以據此定義一個個別函數，比如恆等函數（identity function） ƒ_i: x → x，它等於序對(0, 0) 和(1, 1) 所形成的集合{(0, 0), (1, 1)}。再比如說常數函數（constant function） ƒ_c: x → 2，則不論是0還是1，它們的函數值都等於2，所以函數ƒ_c就等於序對集合{(0, 2), (1, 2)}。

有了以上的例子我們澄清了B^A是從A到B的各種可能函數所形成的集合 {ƒ_i, ƒ_c, ƒ_s, …}，而不是任何特定函數ƒ_k。某個特定函數 ƒ: A→ B的成員是序對，但B^A的成員則是函數。接下來需要確認的是這個定義是否捕捉到指數的核心本質？我們可以問當A = 2且B = 3時，B^A有幾個成員？對於定義域的兩個元素0和1來說，它們各有3種選擇來形成序對，那就是（0, 0）、（0, 1）、（0, 2）和（1, 0）、（1, 1）、（1, 2）。

若要形成任何特定的函數ƒ_k，就必須從前面三個序對中選出某一個，然後再配上後面序對中的任一個，比如我們從前後都選第一個序對而形成{(0, 0), (1, 0)}這種函數組合。這樣的話所有可能的組合方式共有3+3+3 = 9種，也就是共有9個函數成員，正好是B^A=3² = 9。因此對於有限數值來說，B^A 的定義與指數運算相契合。

最後為了表明自己是公設化集合論的內行人，請不要忘記驗證B^A為「合法」集合。對於任意序對 (a, b)，a∈A且 b ∈ B 來說，( a, b) ∈ A X B，由於它們是函數的元素，所以由序對構成的函數F必定是A X B的子集，也就是F ⊆ A X B。由於冪集合是把子集作為元素而形成的集合，所以F ∈ P (A X B) 。我們在《公設化集合論的奧秘 (14)》中已經證明笛卡爾乘積A X B是集合，現在面對A X B 的冪集合P (A X B)，我們根據ZF7 冪集合公設得知P (A X B)也是集合，因此P (A X B)的子集B^A是集合沒錯。

有了B^A這個武器之後，我們發現可以將原先只限於有限數值的指數運算擴展到無限集合，比如說2^N。我們想知道這個運算是否能「飛出」可數無限集合的範圍? 對於有限數值的指數運算，我們有明確的規則和定義: 比如 2⁵ 就是將2連乘5次，而對任何自然數k，2^k就是將2連乘k次。在沒有定義B^A之前，我們並不知道2^N或2^ω代表甚麼意思，但我們現在知道2^N是指所有以下這種函數所成的集合:

F: {0, 1, 2, 3, 4…} → {0, 1}

這種集合的對應域很簡單，不過就是0跟1，那它看起來會像甚麼呢? 想像有一排被編上號碼的電燈泡，從最左邊的0號開始一直往右無盡延伸，越往右邊號碼越大，每個函數F就相當於一種亮燈的方式。比如若F定義域裡的所有自然數的値都對應到1，那就相當於燈泡全亮的狀態，反之如果F定義域裡的所有自然數値都對應到0，那就是燈泡全暗的狀態。依此類推，每個特定的F都表示一種亮燈狀態，而這些燈泡的各種明暗組合方式就構成2^N集合。

這看起來和我們在《公設化集合論的奧秘 (7)》裡提過的全體自然數的冪集合P(N)很像，所以我們要問: 2^N的尺寸是否與P(N)相同? 也就是它們的基數〡P(N)〡與〡2^N〡是否相等? 要證明這一點就必須在P(N)與2^N之間找到一個一對一且映成的函數ƒ，那樣就證明了〡P(N)〡=〡2^N〡。

由於P (N) 的元素是某個自然數的子集A ⊆ N，所以我們的目標是要將某個A（比如{0, 1, 2}）與2^N的元素之間建立起函數關係，也就是在

ƒ : P(N) → 2^N

之間尋找一對一且映成關係。但2^N的元素本身就是函數，該如何試當選取以完成這個艱難任務呢? 我們可以試著用特徵函數（characteristic function）來充當2^N的元素，其定義如下:

I_A: N → {0, 1}

它的意思是說如果某個x 剛好是A裡的元素，那麼它的函數值等於1，也就是這個編號的燈泡是亮的。反之若x不是A裡的元素，那函數值等於0，也就是這個編號的燈泡是暗的。因此我們可以把函數ƒ 看成是一張書面指令和燈泡明暗組合之間的對應關係，由P(N)裡挑選出來的子集A可以看成是一道指令，它裡面包含的元素就是要點亮的燈號。當這條指令經由ƒ 送到特徵函數I_A時，特徵函數就根據A指令佈署亮燈的方式，若函數值為1就是亮燈，若函數值為0就關燈。

我們以A = {0, 1, 2}作例子，A裡的元素等於是指令，讓我們依據指令將那幾個編號(0, 1, 2)的燈泡點亮，因此特徵函數據此進行判別之後就決定了一種亮燈的方式，也就是只有前3盞燈是亮的，而編號2之後的所有燈泡全是暗的。很容易可以看出若指令不同的話，也就是A ≠ B，則亮燈的方式也會有所不同，也就是I_A ≠ I_B。這就表示

ƒ : P(N) → 2^N
A → I_A

為一對一函數。反之對任何一種亮燈方式，也就是特徵函數IA，我們都可以找到某個指令A ∈ P(N) 使得ƒ (A) = I_A，因此ƒ為映成。既然ƒ 為一對一且映成函數，所以它們等量，也就是〡P(N)〡=〡2^N〡。

由於康托的對角線方法已經證明P(N)為不可數集合，因此與它等量的2^N也同樣為不可數集合。終於成功了！2^N運算讓我們擺脫可數無限的枷鎖而得以遨遊太虛之中，直達玄妙的不可數無限的領地，我們也使得冪集合P (N) 與2^N在此相遇。從無限尺寸的觀點來看，它們（P(N)和2^N）是同一個東西。在《公設化集合論的奧秘 (11)》裡我們證明了實數也是不可數的，那麼P(N)和2^N與實數的尺寸是否一樣大呢？有辦法可以證明嗎？這就只有等下回再分解了。

一、前言

選後的立法院三黨不過半，但民眾黨有八席不分區立委，足以與民進黨或國民黨結成多數聯盟，勢將在國會居於樞紐地位。無獨有偶的是：民眾黨主席柯文哲在總統大選得到 26.5% 的選票，屈居第三，但因其獲得部分藍、綠選民的支持，在選民偏好順序組態的基礎上，它卻也同樣地居於樞紐地位。這個地位，將足以讓柯文哲及民眾黨在選後的台灣政壇持續激盪。

二、柯文哲是「孔多塞贏家」？

這次總統大選，誰能脫穎而出並不是一個特別令人殷盼的問題，更值得關心的問題是藍白綠「三跤㧣」在選民偏好順序組態中的消長。台灣總統大選採多數決選制，多數決選制英文叫 first-past-the-post（FPTP），簡單來講就是票多的贏，票少的輸。在 10 月中藍白合破局之後，賴蕭配會贏已經沒有懸念，但這只是選制定規之下的結果，換了另一個選制，同樣的選情可能就會險象環生。

從另一個角度想：選制是人為的，而選情反映的是社會現實。政治學者都知道天下沒有十全十美的選制；既定的選制推出了一位總統，並不代表選情的張力就會成為過眼雲煙。當三股社會勢力在制度的帷幕後繼續激盪，台灣政治將無法因新總統的誕生而趨於穩定。

如果在「三跤㧣」選舉之下，選情的激盪從候選人的得票多少看不出來，那要從哪裡看？政治學提供的一個方法是把候選人配對 PK，看是否有一位候選人能在所有的 PK 中取勝。這樣的候選人並不一定存在，如果不存在，那代表有 A 與 B 配對 A 勝，B 與 C 配對 B 勝，C 與 A 配對 C 勝的 A＞B＞C＞A 的情形。這種情形，一般叫做「循環多數」（cyclical majorities），是 18 世紀法國學者孔多塞（Nicolas de Condorcet）首先提出。循環多數的存在意涵選舉結果隱藏了政治動盪。

另一方面，如果有一位候選人能在配對 PK 時擊敗所有的其他候選人，這樣的候選人稱作「孔多塞贏家」（Condorcet winner），而在配對 PK 時均被擊敗的候選人則稱作「孔多塞輸家」（Condorcet loser）。三角嘟的選舉若無循環多數，則一定會有孔多塞贏家和孔多塞輸家，然而孔多塞贏家不一定即是多數決選制中贏得選舉的候選人，而多數決選制中贏得選舉的候選人卻可能是孔多塞輸家。

如果多數決選制中贏得選舉的候選人不是孔多塞贏家，那與循環多數一樣，意涵選後政治將不會穩定。

那麼，台灣這次總統大選，有沒有孔多塞贏家？如果有，是多數決選制之下當選的賴清德嗎？我根據戴立安先生調查規劃的《美麗島電子報》追蹤民調第 109 波（1 月 11 日至 12 日），也是選前最後民調的估計，得到的結果令人驚訝：得票墊後的柯文哲很可能是孔多塞贏家，而得票最多的賴清德很可能是孔多塞輸家。果然如此，那白色力量將會持續地激盪台灣政治！

我之前根據美麗島封關前第 101 波估計，侯友宜可能是孔多塞贏家，而賴清德是孔多塞輸家。現在得到不同的結果，顯示了封關期間的三股政治力量的消長。本來藍營期望的棄保不但沒有發生，而且柯文哲選前之夜在凱道浩大的造勢活動，還震驚了藍綠陣營。民調樣本估計出的孔多塞贏家本來就不準確，但短期內的改變，很可能反映了選情的激盪，甚至可能反映了循環多數的存在。

三、如何從民調樣本估計孔多塞贏家

根據這波民調，總樣本 N=1001 位受訪者中，如果當時投票，會支持賴清德的受訪者共 355 人，佔 35.4%；支持侯友宜的受訪者共 247 人，佔 24.7%。支持柯文哲的受訪者共 200 人，佔 19.9%。

美麗島民調續問「最不希望誰當總統，也絕對不會投給他的候選人」，在會投票給三組候選人的 802 位支持者中，一共有 572 位對這個問題給予了明確的回答。《美麗島電子報》在其網站提供了交叉表如圖：

根據這個交叉表，我們可以估計每一位明確回答了續問的受訪者對三組候選人的偏好順序，然後再依這 572 人的偏好順序組態來判定在兩兩 PK 的情形下，候選人之間的輸贏如何。我得到的結果是：

• 柯文哲 PK 賴清德：311 > 261（54.4% v. 45.6%）
• 柯文哲 PK 侯友宜：287 > 285（50.2% v. 49.8%）
• 侯友宜 PK 賴清德：293 > 279（51.2% v. 48.8%）

所以柯文哲是孔多塞贏家，賴清德是孔多塞輸家。當然我們如果考慮抽樣誤差（4.1%），除了柯文哲勝出賴清德具有統計顯著性之外，其他兩組配對可說難分難解。但在這 N=572 的小樣本中，三位候選人的得票率分別是：賴清德 40%，侯友宜 33%，柯文哲 27%，與選舉實際結果幾乎一模一樣。至少在這個反映了選舉結果的樣本中，柯文哲是孔多塞贏家。依多數決選制，孔多塞輸家賴清德當選。

不過以上的分析有一個問題：各陣營的支持者中，有不少人無法明確回答「最不希望看到誰當總統，也絕對不會投給他做總統」的候選人。最嚴重的是賴清德的支持者，其「無反應率」（nonresponse rate）高達 34.5%。相對而言，侯友宜、柯文哲的支持者則分別只有 24.1%、23.8% 無法明確回答。為什麼賴的支持者有較多人無法指認最討厭的候選人？一個假設是因為藍、白性質相近，對許多綠營選民而言，其候選人的討厭程度可能難分軒輊。反過來說，藍、白陣營的選民大多數會最討厭綠營候選人，因此指認較無困難。無論如何，把無法明確回答偏好順序的受訪者歸為「遺失值」（missing value）而棄置不用總不是很恰當的做法，在這裡尤其可能會造成賴清德支持者數目的低估。

補救的辦法之一是在「無法明確回答等於無法區別」的假設下，把「遺失值」平分給投票對象之外的其他兩位候選人，也就是假設他們各有 1/2 的機會是無反應受訪者最討厭的候選人。這樣處理的結果，得到

• 柯文哲 PK 賴清德：389 > 413（48.5% v. 51.5%）
• 柯文哲 PK 侯友宜：396 > 406（49.4% v. 50.6%）
• 侯友宜 PK 賴清德：376 > 426（46.9% v. 53.1%）

此時賴清德是孔多塞贏家，而柯文哲是孔多塞輸家。在這 N=802 的樣本中，三位候選人的得票率分別是：賴清德 44%，侯友宜 31%，柯文哲 25%。雖然依多數決選制，孔多塞贏家賴清德當選，但賴的得票率超過實際選舉結果（40%）。用無實證的假設來填補遺失值，反而造成賴清德支持者數目的高估。

如果擔心「無法明確回答等於無法區別」的假設太勉強，補救的辦法之二是把「遺失值」依有反應受訪者選擇最討厭對象的同樣比例，分給投票對象之外的其他兩位候選人。這樣處理的結果，得到

• 柯文哲 PK 賴清德：409 > 393（51.0% v. 49.0%）
• 柯文哲 PK 侯友宜：407 > 395（50.8% v. 49.2%）
• 侯友宜 PK 賴清德：417 > 385（52.0% v. 48.0%）

此時柯文哲又是孔多塞贏家，而賴清德又是孔多塞輸家了。這個樣本也是 N=802，三位候選人的得票率分別是：賴清德 44%，侯友宜 31%，柯文哲 25%，與上面的結果一樣。

以上三種無反應處理方法都不盡完美。第一種把無反應直接當遺失值丟棄，看似最不可取。然而縮小的樣本裡，三位候選人的支持度與實際選舉結果幾乎完全一致。後兩種以不同的假設補足了遺失值，但卻過度膨脹了賴清德的支持度。如果以樣本中候選人支持度與實際結果的比較來判斷遺失值處理方法的效度，我們不能排斥第一種方法及其結果。

無論如何，在缺乏完全資訊的情況下，我們發現的確有可能多數決輸家柯文哲是孔多塞贏家，而多數決贏家賴清德是孔多塞輸家。因為配對 PK 結果缺乏統計顯著性，我們甚至不能排除循環多數的存在。此後四年，多數決選制產生的總統能否在三角嘟力量的激盪下有效維持政治穩定，值得我們持續觀察。

四、結語

柯文哲之所以可以是孔多塞贏家，是因為藍綠選民傾向於最不希望對方的候選人當總統。而白營的中間偏藍位置，讓柯文哲與賴清德 PK 時，能夠得到大多數藍營選民的奧援而勝出。同樣的，當他與侯友宜 PK 時，他也能夠得到一部份綠營選民的奧援。只要他的支持者足夠，他也能夠勝出。反過來看，當賴清德與侯友宜 PK 時，除非他的基本盤夠大，否則從白營得到的奧援不一定足夠讓他勝出。民調 N=572 的樣本中，賴清德得 40%，侯友宜得 33%，柯文哲得 27%。由於柯的支持者討厭賴清德（52.5%）遠遠超過討厭侯友宜（23.7%），賴雖然基本盤較大，能夠從白營得到的奧援卻不多。而侯雖基本盤較小，卻有足夠的奧援。柯文哲之所以成為孔多塞贏家，賴清德之所以成為孔多塞輸家，都是這些因素的數學結果。

資料來源

• 《美麗島電子報》追蹤民調第109波（1月11日至12日）