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MATHEMATICS · THOUGHT

从集合论探讨数学思想

011 是什么?

这是一个许多人都思考过的问题。

从教科书的角度看,1 是一个自然数,是最小的正整数,也是最小的正奇数。

但这并不是我们真正想问的。我们想问的是:1 该如何被表达出来?

先举个例子。我的桌子上有一支铅笔,有一本书。它们是「1 支铅笔」和「1 本书」。铅笔和书本虽然是完全不同的东西,却拥有同一种「数量结构」——各有一个对象。

1 支铅笔
对象:铅笔
1 本书
对象:书

因此,1 可以看作一个关于数量的抽象概念。

02用集合来表示数量

集合论进一步思考:既然数也是数学对象,能不能用集合本身来表示数?

设:

A = { 钢笔 } 集合 A 中有一个元素

所以:

|A| = 1

再设:

B = { 书 }

同样有:

|B| = 1

可见,数学中的「1」既不是「钢笔」,也不是「书」,甚至不是某一个特定的集合。它是从各种不同对象中抽象出来的共同数量。

集合论接着做了一件非常漂亮的事:它试图把这个抽象出来的「数量」本身也表示成集合。

03冯·诺伊曼的构造

课本中介绍过空集:不含任何元素的集合。以空集为起点,再通过后继关系逐步构造,可以规定:

0= ∅
1= { 0 } = { ∅ }
2= { 0, 1 } = { ∅, { ∅ } }
3= { 0, 1, 2 }
⋮

整个过程可以概括为:

具体对象→ 数量抽象→ 用集合表示数量

在冯·诺伊曼的构造中,1 被表示为:

1 = { ∅ } 冯·诺伊曼构造中的 1

冯·诺伊曼构造中的自然数,不仅是用集合表示数量,还具有序数结构。例如:

0= ∅
1= { 0 }
2= { 0, 1 }
3= { 0, 1, 2 }

每一个自然数都包含它之前的所有自然数。这种构造使自然数的大小关系与集合的属于关系联系起来:

m < n ⟺ m ∈ n

04定义与公理的意义

由此可以看到,这样的等式是否成立,并不取决于现实世界中能否观察到,而取决于它在数学语言体系的公理与定义下是否成立。

因此我们得出:定义本身通常不是被证明出来的,而是在建立数学系统时作出的约定。只有当定义和公理确定之后,后续的命题才谈得上「在这个系统中是否可证明」。

05数学对象与数学表示

从上述构造可以进一步思考:数学对象本身与数学对象的表示是否相同?

在日常生活中,数字 1 可以表示一支铅笔、一本书或一个人。这些对象具有不同的性质,但在数量上具有相同的基数。

在集合论中,冯·诺伊曼构造为自然数提供了一种形式化表示,使数字能够被纳入集合论体系之中。然而,这并不意味着自然数只能以这种方式定义。数学中还存在其他自然数构造方式,例如基于等势关系的基数构造。

因此,数学定义不仅是对已有概念的描述,也可以为数学对象建立严格的形式化表示。不同的构造方式,只要满足相应的数学要求,就可能描述同一种抽象结构。

这也说明,数学研究不仅关注结论是否成立,还关注结论依赖于哪些定义、公理与推理规则。

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