Hotel Hilberta. Zdumiewaj cy ±wiat niesko«czono±ci. Marcin Kysiak. Festiwal Nauki, 20.09.2011. Instytut Matematyki Uniwersytetu Warszawskiego



Podobne dokumenty
Podstawy matematyki dla informatyków

A = n. 2. Ka»dy podzbiór zbioru sko«czonego jest zbiorem sko«czonym. Dowody tych twierdze«(elementarne, lecz nieco nu» ce) pominiemy.

Ekstremalnie maªe zbiory

Uwaga 1. Zbiory skończone są równoliczne wtedy i tylko wtedy, gdy mają tyle samo elementów.

Strategia czy intuicja?

Równoliczność zbiorów

Metodydowodzenia twierdzeń

Kombinowanie o nieskończoności. 3. Jak policzyć nieskończone materiały do ćwiczeń

Mierzalne liczby kardynalne

JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1. JAO - J zyki, Automaty i Obliczenia - Wykªad 1

Twierdzenie Wainera. Marek Czarnecki. Warszawa, 3 lipca Wydziaª Filozoi i Socjologii Uniwersytet Warszawski

Metody dowodzenia twierdze«

Podstawy matematyki dla informatyków. Funkcje. Funkcje caªkowite i cz ±ciowe. Deniowanie funkcji. Wykªad pa¹dziernika 2012

Wstęp do Matematyki (4)

1. Wprowadzenie do C/C++

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Indeksowane rodziny zbiorów

1. Wprowadzenie do C/C++

Logika dla matematyków i informatyków Wykªad 1

O pewnym zadaniu olimpijskim

Relacj binarn okre±lon w zbiorze X nazywamy podzbiór ϱ X X.

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Logika i teoria mnogości Wykład Sformalizowane teorie matematyczne

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Teoria mnogo±ci. Twierdzenia podziaªowe. Piotr Zakrzewski. Toru«, 31 sierpnia Instytut Matematyki Uniwersytet Warszawski

RACHUNEK ZBIORÓW 2 A B = B A

Wst p teoretyczny do wiczenia nr 3 - Elementy kombinatoryki

Semestr letni 2014/15

O liczbach niewymiernych

Wykªad 4. Funkcje wielu zmiennych.

Oba zbiory s uporz dkowane liniowo. Badamy funkcj w pobli»u kresów dziedziny. Pewne punkty szczególne (np. zmiana denicji funkcji).

Ÿ1 Oznaczenia, poj cia wst pne

Matematyka dyskretna dla informatyków

Zestaw 1 ZESTAWY A. a 1 a 2 + a 3 ± a n, gdzie skªadnik a n jest odejmowany, gdy n jest liczb parzyst oraz dodawany w przeciwnym.

Matematyka II - Organizacja zajęć. Egzamin w sesji letniej

Ukªady równa«liniowych

Lekcja 9 - LICZBY LOSOWE, ZMIENNE

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

Logika intuicjonistyczna

Zbiory i odwzorowania

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

Listy Inne przykªady Rozwi zywanie problemów. Listy w Mathematice. Marcin Karcz. Wydziaª Matematyki, Fizyki i Informatyki.

Wybrane poj cia i twierdzenia z wykªadu z teorii liczb

W poprzednim odcinku... Podstawy matematyki dla informatyków. Relacje równowa»no±ci. Zbiór (typ) ilorazowy. Klasy abstrakcji

Zdzisªaw Dzedzej, Katedra Analizy Nieliniowej pok. 611 Kontakt:

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, A/10

Zadania z kolokwiów ze Wst pu do Informatyki. Semestr II.

Wielomiany o wspóªczynnikach rzeczywistych

Metody numeryczne. Wst p do metod numerycznych. Dawid Rasaªa. January 9, Dawid Rasaªa Metody numeryczne 1 / 9

Wst p do informatyki. Systemy liczbowe. Piotr Fulma«ski. 21 pa¹dziernika Wydziaª Matematyki i Informatyki, Uniwersytet Šódzki, Polska

2 Liczby rzeczywiste - cz. 2

Notatki z Analizy Matematycznej 1. Jacek M. Jędrzejewski

Arytmetyka pierwszego rz du

ELEMENTARNA TEORIA LICZB. 1. Podzielno±

Zad. 1 Zad. 2 Zad. 3 Zad. 4 Zad. 5 SUMA. W obu podpunktach zakªadamy,»e kolejno± ta«ców jest wa»na.

Lekcja 8 - ANIMACJA. 1 Polecenia. 2 Typy animacji. 3 Pierwsza animacja - Mrugaj ca twarz

Zbiory liczbowe widziane oczami topologa

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /14

TEST A. A-1. Podaj aksjomaty przestrzeni topologicznej według W. Sierpińskiego: aksjomaty

Początki informatyki teoretycznej. Paweł Cieśla

Mosty królewieckie, chi«ski listonosz i... kojarzenie maª»e«stw

MNIEJ I BARDZIEJ ZNANE PROBLEMY TEORII LICZB

Kierunek i poziom studiów: Matematyka, studia I stopnia, rok 1 Sylabus modułu: Wstęp do matematyki (Kod modułu: 03-MO1N-12-WMat)

A-1. Podaj aksjomaty przestrzeni topologicznej według W. Sierpińskiego: aksjomaty

5. (8 punktów) EGZAMIN MAGISTERSKI, r Matematyka w ekonomii i ubezpieczeniach

Informatyka, I stopień

Funkcje, wielomiany. Informacje pomocnicze

Ekstremalnie fajne równania

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Maªgorzata Murat. Modele matematyczne.

Maszyny Turinga i problemy nierozstrzygalne. Maszyny Turinga i problemy nierozstrzygalne

Zbiory ograniczone i kresy zbiorów

Zbiory mocy alef zero

Elementarna statystyka

i, lub, nie Cegieªki buduj ce wspóªczesne procesory. Piotr Fulma«ski 5 kwietnia 2017

Podstawy modelowania w j zyku UML

Podzbiory Symbol Newtona Zasada szuadkowa Dirichleta Zasada wª czania i wyª czania. Ilo± najkrótszych dróg. Kombinatoryka. Magdalena Lema«ska

Zdzisław Dzedzej. Politechnika Gdańska. Gdańsk, 2013

c Marcin Sydow Spójno± Grafy i Zastosowania Grafy Eulerowskie 2: Drogi i Cykle Grafy Hamiltonowskie Podsumowanie

Indukcja matematyczna. Zasada minimum. Zastosowania.

Zadania z PM II A. Strojnowski str. 1. Zadania przygotowawcze z Podstaw Matematyki seria 2

Programowanie i struktury danych 1 / 44

Teoria grafów i jej zastosowania. 1 / 126

Dlaczego matematyka jest wszędzie?

IMIĘ NAZWISKO... grupa C... sala Egzamin ELiTM I

Wykład 10. Stwierdzenie 1. X spełnia warunek Borela wtedy i tylko wtedy, gdy każda scentrowana rodzina zbiorów domkniętych ma niepusty przekrój.

O LOSOWANIU LICZBY Z ODCINKA

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Twierdzenie Wedderburna Witold Tomaszewski

Schematy i reguªy wnioskowania w logice rozmytej

EDUKARIS - O±rodek Ksztaªcenia

BADANIE UMIEJĘTNOŚCI UCZNIÓW W TRZECIEJ KLASIE GIMNAZJUM CZĘŚĆ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZA

XVII Warmi«sko-Mazurskie Zawody Matematyczne

Zagadnienia na wej±ciówki z matematyki Technologia Chemiczna

Metody probabilistyczne

Algebroidy i grupoidy Liego i wspóªczesna teoria Liego

Równania ró»niczkowe I rz du (RRIR) Twierdzenie Picarda. Anna D browska. WFTiMS. 23 marca 2010

Transkrypt:

Zdumiewaj cy ±wiat niesko«czono±ci Instytut Matematyki Uniwersytetu Warszawskiego Festiwal Nauki, 20.09.2011

Nasze do±wiadczenia hotelowe Fakt oczywisty Hotel nie przyjmie nowych go±ci, je»eli wszystkie pokoje s zaj te. Przyczyna Ka»dy hotel ma tylko sko«czenie wiele pokoi.

Anegdota Hotel o niesko«czonej liczbie pokoi o numerach 0, 1, 2, 3,... mo»e przyj nowego go±cia nawet, gdy wszystkie pokoje s zaj te. Ksi»ka meldunkowa Pokoje 0 1 2 3 4 5... Go±cie A B C D E F Co nam mówi intuicja? w zwykªym hotelu nie da si zameldowa dodatkowego go±cia, bo jest za maªo pokoi, pocz tkowo jest tyle samo go±ci, co pokoi, po przybyciu nowego go±cia jest ich wi cej ni» pokoi, w Hotelu Hilberta jest ci gle tyle samo pokoi co go±ci.

Co to znaczy tyle samo? Pytanie Kiedy dwa zbiory maj tyle samo elementów? Nasze przyzwyczajenie policzy elementy w jednym zbiorze, policzy elementy w drugim zbiorze, sprawdzi czy liczby elementów s równe. Prosta obserwacja Je»eli na sali balowej wszyscy jednocze±nie ta«cz w parach, to jest tyle samo kobiet i m»czyzn. Trudniejsza obserwacja Trzyletnie dziecko jest w stanie sprawdzi, czy w dwóch pudeªkach jest tyle samo zapaªek, pomimo»e umie liczy tylko do 20.

Równoliczno± Denicja Zbiory A i B s równoliczne, je»eli mo»na ich elementy poª czy w pary tak by: ka»dy element zbioru A miaª par w zbiorze B, ka»dy element zbioru B miaª par w zbiorze A, ka»dy element byª poª czony w par z tylko jednym elementem.

Równoliczno± w przykªadach Poª czenia w pary pary taneczne, pary zapaªek wyjmowane jednocze±nie z pudeªek, ª czymy w pary pokój hotelowy z go±ciem, który w nim mieszka.

Istota anegdoty o Hotelu Hilberta Przykªad bardziej matematyczny Zbiór liczb naturalnych N = {0, 1, 2, 3, 4...} jest równoliczny ze zbiorem liczb naturalnych dodatnich N \ {0} = {1, 2, 3, 4...}. Dowód. 1 2 3 4 5 6 7... 0 1 2 3 4 5 6...

Jeszcze jeden przykªad matematyczny Równoliczno± z podzbiorem wªa±ciwym Zbiór liczb naturalnych jest równoliczny ze zbiorem liczb naturalnych parzystych ze zbiorem liczb naturalnych nieparzystych. {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,...} Dowód. Naturalne 0 1 2 3 4 5 6... Naturalne parzyste 0 2 4 6 8 10 12... Naturalne nieparzyste 1 3 5 7 9 11 13...

Wniosek dla hotelarzy Wniosek mo»e przyj nawet niesko«czon wycieczk. Ksi ga meldunkowa Pokoje 0 1 2 3 4 5 6 7 8... Go±cie 0 1 2 3 4 5 6 7 8... Pokoje 0 1 2 3 4 5 6 7 8... Go±cie 0 1 1 2 2 3 3 4 4... Wniosek Zbiór liczb naturalnych i zbiór liczb caªkowitych s równoliczne.

Paradoks zwi zany z równoliczno±ci Co nam si nie podoba? liczb naturalnych jest tyle samo co caªkowitych, liczb caªkowitych wydaje si du»o wi cej (bo jest jeszcze niesko«czenie wiele liczb ujemnych).

Wi cej, czyli...? Dwa znaczenia sªowa wi cej te same elementy co byªy oraz pewne dodatkowe, wi ksz (w szczególno±ci inn ) liczb elementów. Fakt Zbiór jest sko«czony wtedy i tylko wtedy, gdy nie jest równoliczny z»adnym swoim wªa±ciwym podzbiorem.

David Hilbert Kilka haseª David Hilbert, 18621943 przestrze«hilberta, program Hilberta, twierdzenie Hilberta o bazie, problemy Hilberta.

Georg Cantor Teoria mnogo±ci Inaczej teoria zbiorów dziaª matematyki zajmuj cy si zbiorami i ich wªasno±ciami. Georg Cantor, 18451918 Teoria mnogo±ci uznawana jest za podstawow teori umo»liwiaj c formalizacj caªej matematyki.

Przeliczalno± Denicja Zbiór niesko«czony nazwiemy przeliczalnym, gdy jest równoliczny ze zbiorem liczb naturalnych. Uwaga Zbiór jest A przeliczalny, wtedy i tylko wtedy, gdy jego elementy mo»na ustawi w ci g: A = {a 0, a 1, a 2, a 3, a 4,...}. Zbiory przeliczalne zbiór liczb naturalnych N, zbiór liczb caªkowitych Z, zbiór liczb naturalnych parzystych.

Zaskakuj cy przykªad Stwierdzenie Zbiór liczb wymiernych Q jest przeliczalny. Przypomnienie Liczby wymierne to uªamki p, gdzie p, q Z, q 0. q Dowód. Ustawimy w ci g pary liczb caªkowitych z intencj (p, q) p q (0, 0), (1, 0), (1, 1), (0, 1), ( 1, 1), ( 1, 0), ( 1, 1), (0, 1), (1, 1), (2, 1), (2, 0), (2, 1), (2, 2), (1, 2), (0, 2), ( 1, 2), ( 2, 2), ( 2, 1), ( 2, 0),... (1, 1), (0, 1), ( 1, 1), ( 1, 1), (0, 1), ( 1, 1), (2, 1), (2, 1), (2, 2), (1, 2), (0, 2), ( 1, 2), ( 2, 2), ( 2, 1),... (p, q) p q, 1 1, 0 1, 1 1, 1 1, 0 1, 1 1, 2 1, 2 1, 2 2, 1 2, 0 2, 1 2, 2 2, 2 1,... 1 2 = 2 4 = 3 6 =..., usuwamy z ci gu powtórzenia.

Czy ka»dy zbiór niesko«czony jest przeliczalny? Stwierdzenie Zbiór wszystkich niesko«czonych ci gów zerojedynkowych nie jest przeliczalny. Dowód x 0 : x0 0 x1 0 x2 0 x3 0 x4 0 x5 0 x6 0 x7 0 x8 0 x9 0... x 1 : x0 1 x1 1 x2 1 x3 1 x4 1 x5 1 x6 1 x7 1 x8 1 x9 1... x 2 : x0 2 x1 2 x2 2 x3 2 x4 2 x5 2 x6 2 x7 2 x8 2 x9 2... x 3 : x0 3 x1 3 x2 3 x3 3 x4 3 x5 3 x6 3 x7 3 x8 3 x9 3... x 4 : x0 4 x1 4 x2 4 x3 4 x4 4 x5 4 x6 4 x7 4 x8 4 x9 4... x 5 : x0 5 x1 5 x2 5 x3 5 x4 5 x5 5 x6 5 x7 5 x8 5 x9 5... x 6 : x0 6 x1 6 x2 6 x3 6 x4 6 x5 6 x6 6 x7 6 x8 6 x9 6... x 7 : x0 7 x1 7 x2 7 x3 7 x4 7 x5 7 x6 7 x7 7 x8 7 x9 7... x 8 : x0 8 x1 8 x2 8 x3 8 x4 8 x5 8 x6 8 x7 8 x8 8 x9 8... x 9 : x0 9 x1 9 x2 9 x3 9 x4 9 x5 9 x6 9 x7 9 x8 9 x9 9...... :.............................. yn = 1 x n n y5 x 5 5

Nieco inny przykªad Stwierdzenie Odcinek [0, 1] jest równoliczny z odcinkiem (0, 1). Dowód. [0, 1] = {0} (0, 1) {1}. 1 1 2 1 3 1 4... 1 1 n n+1... 0 1 2 3 4 7 8... n 1 n n n+1... pozostaªych go±ci nie budzimy. Stwierdzenie Odcinek (0, 1) (a zatem i odcinek [0, 1]) jest równoliczny ze zbiorem liczb rzeczywistych R.

Nie wszystkie zbiory niesko«czone s równoliczne Stwierdzenie Odcinek [0, 1] nie jest równoliczny ze zbiorem liczb naturalnych. Dowód. przypu± my,»e jest: [0, 1] = {x 0, x 1, x 2, x 3,...}, [0, 1] = [0, 1 3 ] [ 1 3, 2 3 ] [ 2 3, 1] niech J 0 b dzie tym odcinkiem, do którego x 0 nie nale»y, dzielimy J 0 na 3 równe cz ±ci i wybieramy jako J 1 t, do której nie nale»y x 1, kontynuujemy: x n J n, istnieje liczba x, która nale»y do wszystkich odcinków J n, liczba x nie mo»e wyst powa na naszej li±cie.

Co wi cej wiadomo? Twierdzenie (Cantor) Ka»dy zbiór ma wi cej podzbiorów ni» elementów. Twierdzenie Zbiór liczb rzeczywistych jest równoliczny z rodzin wszystkich podzbiorów zbioru liczb naturalnych. Twierdzenie Zbiór liczb rzeczywistych jest równoliczny ze zbiorem punktów pªaszczyzny.

Hipoteza Continuum Nasza wiedza Liczb rzeczywistych jest wi cej, ni» liczb naturalnych. Hipoteza Continuum Nie istnieje zbiór, który ma wi cej elementów ni» N, ale mniej ni» R. Uwaga Hipoteza Continuum znalazªa si na pierwszym miejscu listy problemów Hilberta w 1900 r.

Skomplikowana odpowied¹ Twierdzenie (K.Gödel + P. Cohen) Je»eli matematyka jest niesprzeczna, to nie rozstrzyga Hipotezy Continuum, to znaczy nie dowodzi ani jej, ani jej negacji. System Hilberta i reguªa modus ponens je»eli umiemy udowodni p i p q, to umiemy udowodni q, musimy mie okre±lony zestaw aksjomatów. Aksjomatyka Zermelo Fraenkla ZFC Zestaw aksjomatów Teorii Mnogo±ci pozwalaj cy na sformalizowanie caªej matematyki.

Twierdzenia Gödla Twierdzenie adna rozs dna niesprzeczna teoria nie mo»e dowodzi swojej niesprzeczno±ci. Twierdzenie adna rozs dna niesprzeczna teoria nie rozstrzyga wszystkich zda«swojego j zyka.