Эврика! Дом творческих и вдумчивых людей
Добро пожаловать на первый в Латвии мультитематический и межвузовский научный портал!

Сделать стартовой
Добавить в избранное
Контакты
 
   Главная      Эврика      Библиотека      Досуг      Контакты     БДС  

Библиотека : Мировая наука : Математика





Давид Гильберт

О бесконечном

Доклад, прочитанный 4-го июня 1925г. на съезде математиков, организованном вестфальским математическим обществом в Мюнстере в память Вейерштрасса

Вейерштрасс своей критикой, которую он проводил с мастерской остротой, положил твёрдые основания математического анализа. Выяснив, среди остальных понятий, понятия минимума, функции, производной, он тем самым устранил недочёты, имевшие место в исчислении бесконечно малых, очистил его от всех расплывчатых представлений о бесконечно малом и окончательно преодолел при этом трудности, вытекающие из понятия «бесконечно малое». Если теперь в последовательности умозаключений, которые основаны на понятии иррационального числа и вообще предела, царит в анализе полное единодушие и уверенность — даже в самых запутанных вопросах, касающихся теории дифференциальных и интегральных уравнений, — если, несмотря на самые смелые и многообразные результаты, несмотря на нагромождение и перекрещивание пределов, всё же имеется совпадение всех результатов, то это — существенная заслуга научной деятельности Вейерштрасса.

Однако обоснованием, данным анализу бесконечно малых Вейерштрассом, дискуссия об основах анализа не закончилась.

Причина этого лежит в том, что значение бесконечного для математики ещё не выяснено до конца. Правда, бесконечно малое и бесконечно большое были из анализа Вейерштрасса исключены тем, что высказывания, относящиеся к этим понятиям, были сведены к соотношениям между конечными величинами. Но бесконечное всё же выступает снова в бесконечных числовых последовательностях, определяющих действительное число, и затем в понятии системы действительных чисел, которая воспринимается точно так, как предстоящая перед нами готовая и законченная совокупность.

Формы логических умозаключений, в которых выражается эта трактовка, — когда, например, идёт речь о всех действительных числах, обладающих известным свойством, или о том, что существуют действительные числа, обладающие известным свойством, — суть как раз те формы, к которым неограниченно обращаются в вейерштрассовском обосновании анализа и которые применяют, постоянно повторяя.

Благодаря этому бесконечное сумело снова в прикрытом виде пробраться в теорию Вейерштрасса, не будучи задето остротой его критики; отсюда следует, что проблема бесконечного и есть как раз то, что нам в указанном смысле необходимо ещё выяснить до конца. Мы должны бесконечное, в смысле бесконечной совокупности, в тех случаях, где оно встречается в выводах ещё и теперь, понимать как нечто кажущееся, подобно тому, как в предельных процессах исчисления бесконечно малых оказалось возможным показать, что бесконечное, в смысле бесконечно малого и бесконечно большого, есть просто оборот речи. И подобно тому как действия с бесконечно малыми были заменены процессами в конечном, которые дают те же результаты и приводят к тем же изящным формальным соотношениям, выводы, содержащие бесконечное, должны быть вообще заменены конечными процессами, дающими в точности те же результаты, т.е. позволяющими проводить тот же ход доказательства и применять те же методы для получения формул и теорем.

В этом и заключается замысел моей теории. Эта теория ставит своей целью установить определённую надёжность математического метода, которой критический период исчисления бесконечно малых ещё не достиг; она должна, таким образом, завершить то, к чему стремился Вейерштрасс в своём обосновании анализа и к достижению чего им был сделан необходимый и существенный шаг.

Однако, затрагивая вопрос о выяснении понятия бесконечности, приходится принимать во внимание ещё более общую точку зрения. Если обратить на это внимание, то оказывается, что математическая литература наводнена нелепостями и бессмыслицами, в которых большей частью повинна бесконечность. Так например, иногда в качестве ограничительного требования подчёркивают, что в строгой математике в доказательстве допускается только конечное число умозаключений — как будто кому-либо удалось уже когда-либо сделать бесконечное число умозаключений.

Также и старые возражения, которые долгое время считались похороненными, выступают опять в новом одеянии. Недавно, например, было высказано следующее: если даже введение какого-либо понятия может быть произведено без опасений, т.е. без получения противоречий, и это может быть доказано, то всё же это понятие не является в достаточной мере оправданным. Не является ли это в точности тем возражением, которое в своё время выдвигали против комплексных (мнимых) чисел, говоря: правда, из-за них не получается никаких противоречий, но их введение всё же незаконно, так как мнимые величины всё-таки не существуют. Нет, если помимо доказательства непротиворечивости может иметь смысл ещё вопрос о законности некоторого мероприятия, то таким вопросом может быть только вопрос о том, сопровождается ли это мероприятие соответствующим успехом или нет. Действительно, успех здесь необходим; он является высшей инстанцией, перед которой преклоняется каждый.

Другой автор, по-видимому, усматривает противоречия, подобно привидениям, даже и там, где никто вообще никаких утверждений не делал, именно в самом конкретном, чувственном мире, «непротиворечивое функционирование» которого усматривается как особая гипотеза. Я, по крайней мере, думал, что противоречить друг другу могут только высказывания и предположения, поскольку они через умозаключения ведут к новым высказываниям, и мне кажется, что мнение, будто сами факты и события могут оказаться в противоречии друг с другом, является классическим примером бессмыслицы.

Этими замечаниями я хочу только показать, что окончательное выяснение сущности бесконечного выходит за пределы узких интересов специальных наук и, более того, что оно стало необходимым для чести самого человеческого разума.

С давних пор никакой другой вопрос так глубоко не волновал человеческую мысль, как вопрос о бесконечном; бесконечное действовало на разум столь же побуждающе и плодотворно, как едва ли действовала какая-либо другая идея; однако ни одно другое понятие не нуждается так сильно в разъяснении, как бесконечность.

Обращаясь к задаче о выяснении сущности бесконечного, мы должны по возможности кратко представить себе, какое содержательное значение соответствует бесконечному в действительности; мы посмотрим сначала, что нам даёт в этом отношении физика.

Первым наивным впечатлением, производимым явлениями природы и материей, является впечатление чего-то непрерывного, континуального. Если мы имеем перед собою кусок металла или некоторый объём жидкости, то нам навязывается представление о том, что они неограниченно делимы, что сколь угодно малый кусок их опять-таки обладает теми же свойствами. Но повсюду, где методы исследования в физике материи достаточно усовершенствованы, мы наталкиваемся на границы этой делимости, которые лежат не в несовершенстве нашего опыта, а в природе самой вещи, так что можно было бы прямо-таки воспринимать тенденцию современной науки, как освобождение от бесконечно малого; теперь можно было бы старому тезису «natura non facit saltus» (природа не делает скачков) противопоставить антитезу: «природа делает скачки».

Известно, что вся материя составлена из маленьких кирпичиков — из атомов, — и что их комбинации и соединения образуют всё многообразие макроскопических веществ. Однако физика не останавливается перед учением об атомном строении материи. Рядом с ним в конце прошлого столетия выступает, сначала очень непривычно действующее, учение об атомном строении электричества. В то время как раньше электричество считалось жидкостью и было примером непрерывно действующего агента, теперь оказалось, что и оно построено из положительных ядер и отрицательных электронов.

Помимо материи и электричества, в физике имеется ещё и другая реальность, для которой также имеет место закон сохранения, именно — энергия. Но, как установлено теперь, и энергия не допускает простого и неограниченного деления на части: Планк открыл кванты энергии.

И каждый раз получается тот итог, что однородный континуум, который должен был бы допускать неограниченное деление и тем самым реализовать бесконечное в малом, в действительности нигде не встречается. Бесконечная делимость континуума — это операция, существующая только в человеческом представлении, это только идея, которая опровергается нашими наблюдениями над природой и опытами физики и химии.

Второй раз мы наталкиваемся в природе на вопрос о бесконечности при рассмотрении вселенной в целом. Мы должны теперь исследовать протяжённость вселенной, чтобы узнать, нет ли здесь бесконечно большой величины.

Мнение, что вселенная бесконечна, долгое время господствовало; до Канта и даже после него вопрос о бесконечности вселенной не вызывал никаких сомнений.

Но опять-таки современная наука, и в частности астрономия, подняла этот вопрос сызнова и попыталась решить его не с помощью недостаточных методов метафизического умозрения, а на основах, опирающихся на опыт и покоящихся на применении законов природы. При этом выявились веские возражения против бесконечности. Предполагать, что пространство бесконечно, вынуждает нас геометрия Евклида. Хотя геометрия Евклида и является системой понятий, непротиворечивой в самой себе, но отсюда, однако, ещё не следует, что она выполняется в действительности. Имеет ли это место — это может решить только наблюдение и опыт. При попытках умозрительно показать бесконечность пространства вкрадывались также и очевидные ошибки. Из того факта, что вне какого-либо куска пространства всегда снова имеется пространство, следует только неограниченность пространства, а не его бесконечность. Но понятия неограниченность и конечность не исключают друг друга. Математические исследования дают нам так называемую эллиптическую геометрию — естественную модель конечного Мира. Отказ от евкпидовой геометрии является теперь не только чисто математическим или философским умозрением, но мы пришли к этому отказу также и с другой стороны, которая первоначально не имела ничего общего с вопросом о конечности вселенной. Эйнштейн показал необходимость отойти от геометрии Евклида. На основании своей гравитационной теории он берётся и за космологические вопросы и показывает возможность конечности вселенной, причём все найденные астрономами результаты вполне согласуются с предположением об эллиптическом мире.

Итак, мы установили конечность действительного в двух направлениях: в отношении бесконечно малого и бесконечно большого. Всё же может случиться, что бесконечное в нашем мышлении занимает полноправное место и является необходимым понятием. Мы посмотрим, как с этим обстоит в математической науке, и первым делом опросим чистейшее и наивнейшее дитя человеческого духа — теорию чисел. Из имеющейся здесь богатой совокупности элементарных формул возьмём какую-либо одну, например:

12 + 22 + 32 + ...+ n2 = (1/6) п (n+ 1) (2n+ 1).

Так как мы можем подставить в неё вместо п какое-либо целое число, например, положить п = 2 или п = 5, то эта формула содержит бесчисленное множество высказываний; в этом, очевидно, и заключается её суть, благодаря чему только она и представляет решение арифметической проблемы и требует собственно доказательства, между тем как частные числовые равенства

12+22 = (1/6)*2*3*5,

 

12+22 +32+42+52 = (1/6)*5*6*11

могут быть проверены с помощью вычислений и потому в отдельности не представляют, по существу, никакого интереса.

С абсолютно другим, совершенно своеобразным толкованием и принципиальным пониманием идеи бесконечного мы знакомимся благодаря чрезвычайно важному и плодотворному методу идеальных элементов. Метод идеальных элементов находит себе применение уже в элементарной геометрии плоскости. Здесь реальными, действительно существующими предметами являются вначале только точки и прямые плоскости. Для них имеет место, между прочим, аксиома соединения: через две точки проходит всегда одна и только одна прямая. Отсюда получается, что две прямые пересекаются не более чем в одной точке. Но теорема, утверждающая, что две прямые всегда пересекаются в одной точке, несправедлива; две прямые могут быть параллельными. Однако известно, что с помощью идеальных элементов, а именно с помощью бесконечно удалённых точек и с помощью одной бесконечно удалённой прямой можно достичь того, что теорема, согласно которой две прямые всегда пересекаются в одной и только одной точке, окажется справедливой во всех случаях.

Идеальные «бесконечно удалённые» элементы приносят ту пользу, что они делают систему законов соединения возможно более простой и обозримой. Вследствие симметрии между точкой и прямой, отсюда, как известно, получается оказавшийся столь плодотворным принцип двойственности в геометрии.

Обычные комплексно-мнимые величины алгебры также являются примером использования идеальных элементов; они служат здесь для упрощения теорем о существовании корней уравнения и их числе.

Подобно тому как в геометрии бесконечное множество прямых, именно параллельные друг другу прямые, используется для определения идеальной прямой, так и в высшей арифметике определённые бесконечные системы чисел объединяются в один числовой идеал, и в этом состоит, пожалуй, самое гениальное применение принципа идеальных элементов. Если это происходит вообще, внутри некоторого алгебраического числового поля, то мы находим в этом поле простые и хорошо известные законы делимости, аналогичные тем, которые имеют место для обыкновенных целых чисел. Здесь мы уже попали в область высшей арифметики.

Мы подошли теперь к анализу, этой искуснейшей и тончайшим образом разветвлённой отрасли математических наук. Вы сами знаете, какую ведущую роль играет там бесконечное; математический анализ можно в известном смысле назвать единой симфонией бесконечного.

Громадные успехи, достигнутые в исчислении бесконечно малых, основываются большей частью на действиях с математическими системами, состоящими из бесконечного числа элементов. Так как очень легко напрашивалось отождествление бесконечного с «очень большим», то вскоре возникли несогласованности, так называемые парадоксы исчисления бесконечно малых, часть которых была уже в древности известна софистам. Основным шагом вперёд явилось обнаружение того факта, что многие положения, справедливые для конечного, — часть меньше целого, существование минимума и максимума, перемена мест слагаемых или сомножителей — не могут быть непосредственно перенесены на бесконечное. В начале своего доклада я уже упоминал, что эти вопросы были выяснены благодаря проницательности Вейерштрасса, и теперь анализ в своей области стал безошибочным наставлением и практическим инструментом для пользования бесконечным.

Однако сам анализ ещё не ведёт нас к глубочайшему проникновению в сущность бесконечного. Такому проникновению гораздо больше способствует дисциплина, которая стоит ближе к общефилософским приёмам мышления и которая была призвана опять, уже в новом свете, поставить весь комплекс вопросов, касающихся бесконечного. Этой дисциплиной является теория множеств, создателем которой был Георг Кантор. Здесь мы рассмотрим только то, поистине единственное в своём роде и оригинальное, что составляет собственно ядро канторовского учения, — его теорию трансфинитных чисел, она представляется мне наиболее заслуживающим удивления цветком математического духа и вообще одним из высших достижений чисто умственной деятельности человека. Что же это такое?

Если хотят кратко характеризовать новое понимание бесконечного, которому положил начало Кантор, можно, пожалуй, сказать следующее: в анализе мы имеем дело с бесконечно малым и бесконечно большим только как с предельным понятием, как с чем-то становящимся, образующимся, производящимся, т.е., как говорят, с потенциальной бесконечностью. Но это не есть само собственно бесконечное. Таковое мы имеем, например, рассматривая самую совокупность чисел 1, 2, 3, 4, ... как некое законченное единство или точки отрезка как совокупность вещей, предстоящую перед нами в законченном виде. Этого рода бесконечность мы будем называть актуальной бесконечностью.

Уже Фреге и Дедекинд, сделавшие очень многое для обоснования математики, оба, независимо друг от друга, применили актуальную бесконечность для того, чтобы обосновать арифметику независимо от всякого наглядного представления и опыта, на чистой логике и развивать её дедуктивным путём только посредством логики. Их стремление состояло в том, чтобы конечное число не брать из наглядного представления, а вывести чисто логически, существенно используя при этом понятие бесконечных множеств. Кантор же разработал понятие бесконечного систематически. Рассмотрим оба упомянутых примера бесконечного:

1) 1, 2, 3, 4, ...

2) Точки отрезка [О, 1] или, что то же, совокупность действительных чисел, заключённую между 0 и 1 [включая их].

Во-первых, их надо исследовать с точки зрения многочисленности; при этом мы приходим к поразительным фактам, которые теперь хорошо известны каждому математику. Именно, если рассматривать множество всех рациональных чисел, т. е. все дроби 1/2, 1/3, 2/3, 1/4, ... , 3/7, ... , то оказывается, что это множество, взятое только с точки зрения многочисленности, не больше множества целых чисел; мы говорим, что рациональные числа могут быть обычным способом пересчитаны, или что их множество счётно.

То же справедливо и относительно множества всех чисел, выражающихся с помощью радикалов и, даже более того, — для множества всех алгебраических чисел, Аналогично обстоит дело и с нашим вторым примером: неожиданным образом оказывается, что множество точек квадрата или куба, взятое только с точки зрения многочисленности, не больше множества точек отрезка [0, 1]; даже для множества всех непрерывных функций справедливо ещё такое же утверждение. Кто узнаёт это впервые, может подумать, что с точки зрения многочисленности существует вообще одна только бесконечность. Но это неверно: множества наших двух примеров, — 1-го и 2-го — как говорят, не «равномощны»; напротив того, множество 2-го примера не может быть пересчитано,—оно больше множества 1-го примера. Здесь наступает характерная перемена в образовании идей Кантора. Точки отрезка нельзя пересчитать обычным способом с помощью чисел 1, 2, 3, ... Но, допуская существование актуальной бесконечности, мы отнюдь не ограничиваем себя этим обычным способом счёта, и ничто нас не принуждает прекратить счёт. Когда мы пересчитали 1, 2, 3, . . ., то мы можем пересчитанные предметы рассматривать как некое в этом определённом порядке законченное бесконечное множество. Обозначим, как это делает Кантор, этот порядок по его типу через w; тогда счёт естественно продолжается с помощью w+1 ,w+2 ,... до w+w или w*2, а затем он продолжается дальше с помощью w*2 +1, w*2 + 2, w*2 + 3, ..., w*2 + w = w*3 и далее с помощью w*2, w*3, w*4, ..., w*w = w2, w2 + 1, ...

Таким образом, мы получаем следующую таблицу:

1, 2, 3 ...

w, w+1, w+2 ...

w*2, w*2 + 1, w*2 + 2 ...

w*3, w*3 + 1, w*3 + 2 ...

w2,  w2+1,  ...

w2+w, w2+w*2,  w2+w*3 ...

w2*2, ...

w2*2 + w, ...

w3, ...

w4, ...

ww, ...

Это — первые трансфинитные числа, числа второго класса, как их называет Кантор. К ним мы подходим просто посредством продолжения счёта за пределы обыкновенной счётной бесконечности, т.е. с помощью вполне естественного, однозначно определённого последовательного продолжения обычного счёта в конечном. Подобно тому как мы до сих пор считали лишь 1-ю, 2-ю, 3-ю, ... вещь множества, так теперь мы считаем w-ю, (w + 1) -ю вещь. При таком положении вещей тотчас же сам собою напрашивается вопрос: нельзя ли при помощи этих трансфинитных чисел пересчитать множества, которые в обычном смысле несчётны?

Кантор в соответствии с этим ходом мыслей успешно построил теорию трансфинитных чисел и создал для них полное исчисление. Итак, в конце концов, благодаря гигантской совместной работе Фреге, Дедекинда и Кантора, бесконечное было возведено на трон и наслаждалось временем своего высшего триумфа. Бесконечное в своём дерзком полёте достигло головокружительной высоты успеха.

Но реакция не заставила себя ждать; она разыгралась очень драматически. Произошло нечто, аналогичное тому, что случилось при развитии исчисления бесконечно малых. На радостях по поводу новых богатых результатов стали явным образом недостаточно критически относиться к законности умозаключений; поэтому уже при простом образовании понятий и применении умозаключений, постепенно ставших обычными, выявились противоречия, сначала единичные, а затем всё более резкие и всё более серьёзные: так называемые парадоксы теории множеств. В особенности это относится к противоречию, найденному Цермело и Расселом, опубликование которого оказало на математический мир прямо-таки катастрофическое действие. Перед лицом этих парадоксов Дедекинд и Фреге фактически отказались от своей точки зрения и очистили поле битвы.

Дедекинд долго сомневался перед тем, как выпустить новое издание своей работы «Что такое числа, и чем они должны быть» («Was sind und was sollen die Zahlen»), которая в своё время открыла новую эпоху; у Фреге так же была тенденция считать свою книгу «Основные законы арифметики» («Grundgesetze der Arithmetik») ошибочной, в чём он признаётся в одном из своих послесловий. И на учение Кантора с различных сторон были произведены бурные нападки. Контрдвижение было столь стремительно, что общеупотребительнейшие и плодотворнейшие понятия математики, простейшие и важнейшие её умозаключения оказались под угрозой, и применение их должно было быть запрещено. Правда, не было недостатка и в защитниках старого; но мероприятия защиты были очень слабы, и они не были направлены единым фронтом в нужную сторону. Лекарств против парадоксов рекомендовали слишком много, методы объяснений были слишком разнообразны.

Надо согласиться, что состояние, в котором мы находимся сейчас в отношении парадоксов, на продолжительное время невыносимо. Подумайте: в математике — этом образце достоверности и истинности, — образование понятий и ход умозаключений, как их всякий изучает, преподаёт и применяет, приводят к нелепостям. Где же искать надёжность и истинность, если даже само математическое мышление даёт осечку?

Но существует вполне удовлетворительный путь, по которому можно избежать парадоксов, не изменяя при этом нашей науке. Те точки зрения, которые служат для открытия этого пути и те пожелания, которые указывают нам направление, суть следующие:

1. Мы будем заботливо следить за плодотворными способами образования понятий и методами умозаключений везде, где является хотя бы малейшая надежда, будем ухаживать за ними, поддерживать их, делать их годными к использованию. Никто не может изгнать нас из рая, который создал нам Кантор.

2. Надо повсюду установить ту же надёжность заключений, которая имеется в обыкновенной, низшей теории чисел, в которой никто не сомневается и где возникают противоречия и парадоксы только вследствие нашей невнимательности.

Достижение этой цели возможно, очевидно, лишь после того, как мы полностью выясним сущность бесконечности.

Раньше мы уже выяснили, что какие бы опыты и наблюдения и какую бы отрасль науки мы ни рассматривали, нигде в действительности мы не находим бесконечности. Должны ли мысли о вещах быть столь непохожими на то, что происходит с вещами, должны ли они сами по себе итти другим путём, совершенно в стороне от действительности? Разве не ясно, что когда мы, как нам кажется,  в каком-то смысле познаём реальность бесконечного, на самом деле мы лишь позволяем себе соблазниться чудовищно большими и чудовищно малыми размерами, которые так часто встречаются в действительности. А содержательные логические выводы, когда мы их применяли к действительным вещам или событиям, — разве они нас где-либо обманывали и где-либо нам изменяли? Нет — содержательное логическое мышление необходимо. Оно нас обманывало только тогда, когда мы принимали произвольные абстрактные способы образования понятий; мы в этом случае как раз недозволенно применяли содержательные выводы, т.е. мы, очевидно, не обратили внимания на предпосылки, необходимые для применения содержательного вывода. В признании того, что такие предпосылки имеются и должны приниматься во внимание, мы согласны с философами, особенно с Кантом. Уже Кант учил — и это составляет существенную часть его учения, — что математика обладает не зависящим от всякой логики устойчивым содержанием, и потому она никогда не может быть обоснована только с помощью логики, вследствие чего, между прочим, стремления Дедекинда и Фреге должны были потерпеть крушение. Наоборот, кое-что уже дано в нашем представлении в качестве предварительного условия для применения логических выводов и для выполнения логических операций: определённые, внелогические, конкретные объекты, которые имеются в созерцании до всякого мышления в качестве непосредственных переживаний. Для того чтобы логические выводы были надёжны, эти объекты должны быть обозримы полностью во всех частях; их показания, их отличие, их следование, расположение одного из них наряду с другим даётся непосредственно наглядно, одновременно с самими объектами, как нечто такое, что не может быть сведено к чему-либо другому и не нуждается в таком сведении. Это — та основная философская установка, которую я считаю обязательной как для математики, так и вообще для всякого научного мышления, понимания и общения и без которой совершенно невозможна умственная деятельность. В частности, в математике предметом нашего рассмотрения являются конкретные знаки сами по себе, облик которых, согласно нашей установке, непосредственно ясен и может быть впоследствии узнаваем.

Припомним сущность и методику теорий обыкновенных конечных чисел. Её, разумеется, можно построить отдельно, конструируя числа с помощью содержательных, наглядных соображений. Однако математическая наука отнюдь не исчерпывается числовыми равенствами и не сводится к одним только этим равенствам. Можно утверждать, тем не менее, что она является аппаратом, который при применении его к целым числам всегда должен давать верные числовые равенства. В таком случае ставится требование настолько исследовать строение этого аппарата, чтобы в этом убедиться. Вспомогательным средством при этом служит нам только тот же конкретно содержательный способ рассмотрения и конечная установка мышления, как они применялись для получения числовых равенств при построении теории чисел. Это познавательное требование в действительности выполнимо, т.е. можно получить чисто наглядным, конечным способом — совершенно так же, как получаются истины теории чисел—те рассмотрения, которые ручаются за достоверность математического аппарата.

Рассмотрим теперь ближе теорию чисел. В теории чисел мы имеем знаки:

1, 11, 111, 11111, ...

где каждый числовой знак можно распознать благодаря тому, что в нём за 1 всегда следует опять 1. Эти числовые символы — они и являются объектом наших рассуждений — сами по себе не имеют никакого значения. Кроме этих знаков в элементарной теории чисел мы пользуемся ещё и другими знаками, которые нечто означают и служат для сообщений. Так, мы пользуемся числовым знаком 2 для сокращённой записи числового знака 11, или числовым знаком 3 для сокращённой записи числового знака 111; далее, мы применяем знаки + =, > и другие, которые служат нам для сообщения утверждений. Так, 2 + 3 = 3 + 2 должно служить для сообщения того факта, что 2 + 3 и 3 + 2, если принимать во внимание сокращённую запись, которой мы пользовались, являются одним и тем же числовым знаком, а именно числовым знаком 11111. Точно так же 3>2 служит для сообщения того факта, что знак 3, т. е. 111, выступает за знаком 2, т. е. 11, или что этот последний знак является частью первого.

При сообщениях мы будем пользоваться в качестве числовых знаков также и буквами а, b, c. Согласно этому, b>а является сообщением того, что числовой знак b выступает за числовым знаком a. Точно так же, если исходить из этой точки зрения, а a + b = b + a есть сообщение, что числовой знак а a + b означает то же, что и числовой знак b + a. При этом содержательная правильность этого сообщения может быть доказана с помощью содержательного вывода, и мы можем с этим наглядным содержательным способом обсуждения пойти очень далеко вперёд.

Я хотел бы показать вам только один пример, в котором переходят за этот наглядный способ обсуждения. Самым большим (39 цифр) из известных до сих пор простых чисел является

р = 170 141 183 460 469 231 731 687 303 715 884 105 727

С помощью известного евклидовского способа мы можем доказать, рассуждая полностью в рамках нашей установки, что между p + 1 и p!+ 1 безусловно существует новое простое число. Это высказывание само по себе также соответствует нашей конечной установке, так как слово «существует» служит в данном случае только для того, чтобы короче сформулировать следующее высказывание:

Безусловно: p + 1 или p + 2 или p+3 ... или p!+1 есть простое число. Но, далее, очевидно, то же я могу выразить словами: существует простое число

1. > p и в то же время

2. <= p!+1

Отсюда мы приходим к формулировке теоремы, которая выражает только часть евклидовского утверждения; существует простое число >p. Хотя по своему содержанию это последнее утверждение гораздо уже евклидовского и хотя переход кажется совершенно безобидным, всё же это есть прыжок в трансфинитное [в смысле «законечное» — ред], если только это частичное высказывание рассматривать, как самостоятельное утверждение, вне вышеприведённой связи.

Как это может быть? Мы имеем здесь высказывание о существовании: «существует»! Правда, мы встречаем уже это слово в теореме Евклида. Однако там, как я уже говорил, слово «существует» представляло собою другой сокращённый способ выражения того, что либо p + 1, либо p + 2, либо p+3 ..., либо p!+1 есть простое число, подобно тому, как длинную фразу: «либо этот кусок мела красен, либо тот кусок мела красен, либо ..., либо кусок мела, лежащий вон там, красен» заменяют короткой: «среди этих кусков мела имеется красный кусок». Такого рода утверждение, говорящее о том, что среди некоторой конечной совокупности предмет, обладающий определённым свойством, «существует», полностью соответствует нашей конечной установке. Напротив того, альтернатива «либо: р + 1 либо p + 2, либо р + 3, ... и так до бесконечности — есть простое число» является, так сказать, бесконечной «или-связью», и подобный переход к бесконечному без особого объяснения и без необходимых при случае правил предосторожности так же мало дозволен, как мало дозволен в анализе переход от конечных произведений к бесконечным; и, прежде всего, он, вообще говоря, не имеет смысла.

Вообще, если исходить из конечной точки зрения, то высказывание вида «существует число, имеющее такое-то и такое-то свойство» имеет смысл только как частичное высказывание, т. е. как часть более определённого высказывания, более точное содержание которого, однако, для многих приложений несущественно.

Таким образом, мы натолкнулись здесь на трансфинитное при разложении высказывания о существовании на части, ни одна из которых не может быть истолкована как «или-связь». Равным образом, мы приходим к трансфинитному, когда мы отрицаем общее, т. е. распространяющееся на любые числовые знаки, утверждение. Так, например, для высказывания: если а—числовой знак, то всегда должно быть

a + l = l + a,

— с конечной точки зрения не может быть составлено его отрицание. Мы можем себе это уяснить, если вспомним, что если исходить из этой точки зрения, то это высказывание означает не соединение бесконечного множества числовых равенств союзом «и», а суждение гипотетического характера, которое нечто утверждает только для того случая, когда перед нами имеется некоторый числовой знак.

Отсюда, в частности, следует, что в смысле конечной установки нельзя применить альтернативу, согласно которой равенство, подобное вышеприведённому, включающее в себя неопределённый числовой знак, либо выполняется для любого числового знака, либо опровергается противоречащим примером. Действительно, эта альтернатива, являющаяся применением закона Tertium non datur (закона исключённого третьего), существенно опирается на предположение, что утверждение общей действенности этого равенства может быть отрицаемо.

Во всяком случае констатируем: если мы остаёмся в области конечных высказываний, как нам это и приходится делать сначала, то в таком случае имеют место не поддающиеся обозрению логические соотношения, и эта необозримость доходит до нестерпимости, когда слова «все» и «существуют» комбинируются и вставляются в теоремы. Во всяком случае, те логические законы, которыми люди, с тех пор как они мыслят, всегда пользовались и о которых учил уже Аристотель, несправедливы в конечном. Мы бы могли найти выход в том, чтобы установить логические законы, справедливые в области конечных высказываний; но это не принесло бы нам никакой пользы, так как мы ведь не хотим отказаться от пользования простыми законами аристотелевой логики, и никто, говори он даже ангельским языком, не удержит людей от того, чтобы отрицать любые утверждения, образовывать частичные суждения и применять закон исключённого третьего. Как же нам теперь быть?

Вспомним, что мы — математики и в качестве таковых уже не раз находились в аналогичном затруднительном положении и что тогда нас выводил из этого положения гениальный метод идеальных элементов. Некоторые яркие примеры применения этого метода я приводил уже вам в начале доклада. Так же, как было введено i = sqrt(-1) для того, чтобы удержать законы алгебры в простейшем виде, например, теорему о существовании и числе корней уравнения; так же, как произошло введение идеальных факторов, опять-таки для того, чтобы оставить в силе простейшие законы делимости для целых алгебраических чисел, когда мы, например, вводим общий идеальный делитель чисел 2 и (1+sqrt (-5)), хотя в действительности таковой не существует; точно так же и здесь к конечным высказываниям мы должны присоединить идеальные высказывания для того, чтобы удержать формально простые законы обычной аристотелевой логики. И странным образом случилось так, что определения и выводы, против которых Кронекер с такой страстью возражал, оказались точной копией того, что тот же Кронекер с таким энтузиазмом превозносил в теории чисел у Куммера и чем он восхищался как высшим математическим достижением.

Как же мы теперь придём к идеальному высказыванию? Замечательно и, во всяком случае, благоприятно и покровительствует нам следующее обстоятельство. Для того, чтобы попасть на путь к этим идеальным высказываниям, мы должны лишь естественным и последовательным образом продолжить то развитие основ математики, которое имело место уже до сих пор. Действительно, припомним, что даже элементарная математика уже не остаётся на точке зрения наглядной теории чисел. Содержательно наглядная теория чисел, как мы её до сих пор понимали, не включает в себя метод алгебраического буквенного исчисления. В ней формулы всегда употребляются только для сообщения; буквы означают числовые знаки, и с помощью равенства мы сообщаем о совпадении двух знаков. Напротив того, в алгебре мы пользуемся буквенными выражениями как образами, которые сами по себе самостоятельны, и благодаря им содержательные теоремы теории чисел принимают формальный характер. На место высказываний о числовых знаках выступают формулы, которые, со своей стороны, являются конкретными объектами наглядного созерцания, а на место содержательного теоретико-числового доказательства выступает вывод одной формулы из другой по известным правилам.

Таким образом, уже в алгебре имеет место увеличение числа конечных объектов. До сих пор это были только числовые знаки, как, например, 1, 11, 11111. Только они служили объектами содержательного рассмотрения. Но уже в алгебре математическая практика выходит за эти пределы. Даже когда некоторое высказывание с нашей конечной точки зрения ещё допустимо в связи со ссылками на содержательное, как, например, теорема о том, что a + b = b + a, где а и b означают некоторые числовые знаки, — даже тогда мы пользуемся не этой формой сообщения, а формулой a + b = b + a, которая теперь уже отнюдь не является непосредственным сообщением о чём-то содержательном, а некоторым формальным образом, отношение которого к старым конечным высказываниям

2 + 3 = 3 + 2,

5 + 7 = 7 + 5

состоит в том, что мы в эту формулу вместо а, b подставляем числовые знаки 2, 3, 5, 7 и благодаря этому, т. е. благодаря некоторому — хотя и очень простому — способу доказательства, получаем конечные частные высказывания. Итак, мы приходим к тому взгляду, что а, b, =, +, равно как и вся формула целиком,

а + b = b + а

никакого значения сами по себе не имеют, точно так же, как и числовые знаки; однако из неё можно получить формулы, которым мы .приписываем значение, именно тем, что мы их понимаем как сообщение конечных высказываний. Если мы этот взгляд обобщим, то математика сведётся к совокупности формул, во-первых, таких, которым соответствуют содержательные сообщения конечных высказываний, т. е. по существу числовых равенств или неравенств, и во-вторых, других формул, которые сами по себе никакого значения не имеют и которые являются идеальными, образами нашей теории.

Какова же была наша цель? В математике мы нашли, с одной стороны, такие конечные высказывания, которые содержат только числовые знаки, как-то: 3>2, 2 + 3 = 3 + 2, 2 = 3, 1!=1; эти высказывания, если исходить из нашей конечной точки зрения, оказываются непосредственно наглядными и без дальнейшего понятными; их можно отрицать, они верны или ложны, можно свободно, не задумываясь, распоряжаться ими согласно логике Аристотеля; закон противоречия для них имеет место, т. е. какое-либо высказывание этого рода и его отрицание не могут оба быть верны; имеет место закон исключённого третьего, т. е. одно из двух—либо данное высказывание верно, либо верно его отрицание. Когда я говорю: «некоторое высказывание ложно», то это равносильно утверждению: «отрицание этого высказывания верно». Кроме этих элементарных высказываний совершенно непроблематического характера, мы встречали также конечные высказывания проблематического характера, например, такие, которые были неразделимы. Наконец, мы ввели идеальные высказывания, которые должны способствовать тому, чтобы в совокупности опять-таки имели место обычные законы логики. Но так как идеальные высказывания, именно формулы, сами по себе не имеют значения, поскольку они не выражают конечных утверждений, то логические операции над ними не могут производиться содержательно, как над  конечными  высказываниями. В таком случае сами логические операции и математические доказательства необходимо формализовать; это требует перевода логических соотношений на язык формул. Поэтому мы должны будем к математическим знакам прибавить ещё и логические знаки, например: & (и), V (или; либо), —> (если, то), — (неверно) и пользоваться кроме математических переменных а, b, с,... ещё и логическими переменными, т. е. переменными высказываниями A, В, С, ...

Как это может произойти? К счастью для нас, здесь оказывается та же предустановленная гармония, которую мы так часто встречаем в истории развития науки — которая пригодилась Эйнштейну, когда он для своей гравитационной теории нашёл вполне разработанное общее исчисление инвариантов: в качестве такой успешно разрабатывавшейся предварительной теории мы находим алгоритм логики. Правда, этот последний возник первоначально из совершенно других отправных точек зрения, и в соответствии с этим знаки логического исчисления первоначально были введены тоже только для сообщений; но будет последовательным, если мы теперь отвергнем значение логических знаков, как мы отвергли значение знаков математических, и объявим, что формулы логического исчисления сами по себе не имеют никакого значения и суть идеальные высказывания. В логическом исчислении мы обладаем языком знаков, которым можно математические теоремы выразить с помощью формул, а логические умозаключения выразить с помощью формального процесса. Аналогично тому, как мы это делали при переходе от содержательной теории чисел к формальной алгебре, мы и в логическом исчислении рассматриваем знаки и символы операций, отвлекаясь от их содержательного значения. Благодаря этому, мы вместо содержательной математической науки, которую мы передаём обыкновенным языком, получаем некоторую совокупность формул с математическими и логическими знаками, следующих друг за другом по определённым правилам. Математическим аксиомам соответствуют некоторые определённые формулы, а содержательным выводам соответствуют правила, по которым формулы следуют одна за другой: таким образом, содержательные выводы подменяются внешними действиями согласно правилам. Тем самым совершается строгий переход от наивного к •формальному обращению, с одной стороны, с самими аксиомами, которые сначала наивно считались основными истинами и которые уже давно в современной аксиоматике рассматриваются только как связи понятий, а, с другой стороны — с логическим исчислением, которое первоначально должно было быть только лишь иным языком.

Мы хотим ещё кратко разъяснить, каким образом формализируется математическое доказательство. Определённые формулы, которые, как я сказал, служат камнями для постройки формального здания математики, называются аксиомами. Математическое доказательство, есть некоторая фигура, которая, как таковая, должна наглядно пред нами предстать; оно состоит из выводов, делаемых по следующей схеме:

SIGMA, SIGMA —> £,

               £

где всякий раз каждая посылка, т. е. в упомянутых формулах SIGMA и SIGMA—>£, есть либо аксиома (или получается из аксиомы при помощи подстановки) или совпадает с заключительной формулой некоторого вывода, уже встречавшегося ранее в доказательстве (или получается из этой формулы при помощи подстановки). Формулу мы будем называть доказуемой, если она является либо аксиомой, либо конечной формулой некоторого доказательства.

Нашей программой мы уже предрешили выбор аксиом для нашей теории доказательства. Несмотря на некоторый произвол в выборе аксиом, здесь, как и в геометрии, различаются качественно отдельные, обособленные группы, из которых мы будем каждый раз приводить некоторые примеры:

1. Аксиомы следования:

а —> (в —> а) (добавление предпосылки);

(в —> с) —> {(а —> в) —> (а —> с)} (исключение высказывания).

II. Аксиомы отрицания:

{А —> (В&!В)} —> А (закон противоречия);

!!A —>А (закон двойного отрицания)

Из закона противоречия следует, что (A&!A) —> B, а из закона двойного отрицания следует закон исключённого третьего:

{(А —> В) & (!A —> B)} —> В.

Аксиомы групп I и II суть не что иное, как аксиомы исчисления высказываний.

III. Трансфинитные аксиомы:

(х)А(х) —> А(а) (заключение от общего к частному, аксиома Аристотеля)

(!х)А(х) —> (Ех)!(A(х)) (если сказуемое справедливо не для всех объектов, то существует противоречащий пример);

!(Ех) А (х) —> (х) А(х) (если не существует примера, для которого некоторое высказывание имело бы место, то это высказывание ложно для всех х).

При этом выявляется то замечательное обстоятельство, что все эти трансфинитные аксиомы могут быть выведены из одной, а именно той, которая содержит одновременно и ядро так называемой аксиомы произвольного выбора, более всего оспаривавшейся до сих пор в математической литературе. Указанная аксиома такова:

А (а) —> А (еpsilon(А)), где еpsilon — трансфинитная логическая функция выбора.

К этому добавляются чисто математические аксиомы:

IV. Аксиомы равенства:

а = а, а = b —> (А(а) —> А(b))

V. Аксиомы числа:

а'!=0,

а также аксиома полной индукции: { A(0) & (x)(A(x) —> A(x)l)) } —> A(a).

Этим способом мы в состоянии провести нашу теорию доказательства и построить систему доказуемых формул, т. е. математическую науку.

Но на радостях по поводу наших успехов вообще и, в частности, по поводу исчисления логики, которое мы, не затрачивая на то никаких усилий, нашли в качестве столь необходимого оружия, мы не должны всё же забыть о существенной предпосылке, определяющей наши действия. Существует одно условие, правда, только одно, но зато абсолютно необходимое, с которым связано применение - метода идеальных элементов; этим условием является доказательство непротиворечивости: расширение, осуществляемое прибавлением идеалов, допустимо только при условии, что из-за этого в старой, узкой области никаких противоречий не возникает, т. е. при условии, что соотношения, которые получатся для старых образов после исключения идеальных, всегда в старой области имели место.

Однако эта проблема непротиворечивости при настоящем положении вещей вполне доступна для исследования. Именно, подставив в логическую формулу (А&! А) —> В, которая следует, как это уже было указано, из аксиом отрицания, вместо В неравенство 0!=0, мы получим:

(A&!А) —> О!=О.

Таким образом, для доказательства непротиворечивости нам теперь необходимо только показать, что при доказательстве, проведённом по установленным правилам, «О!=О» не появится в качестве заключительной формулы и, таким образом, что «О!=О» не есть доказуемая формула. А это является задачей, которая принципиально лежит в области наглядного рассмотрения, аналогично тому, как, скажем, задача об иррациональности sqrt(2) (т. е. доказательство того, что невозможно найти таких два числовых знака а и 6, которые связаны соотношением а2 == 2b2, где, следовательно, должно быть показано, что невозможно задать два числовых знака, обладающих некоторым вполне определённым свойством) находится в содержательно построенной теории чисел. Соответственно этому, нам надо доказать, что невозможно дать доказательство, обладающее некоторым вполне определённым свойством. Но ведь формализированное доказательство, точно так же, как и числовой знак, является конкретным и обозримым предметом; оно сообщаемо от начала до конца. Также и требуемое свойство заключительной формулы, состоящее в том, чтобы она гласила «0!=0», является конкретно устанавливаемым свойством доказательства. Всё это можно действительно осуществить, и тем самым оправдывается введение наших идеальных высказываний.

Вместе с тем, мы решили ещё проблему, которая давно уже была весьма актуальна, а именно — проблему о непротиворечивости аксиом арифметики. Всюду, где применяется аксиоматический метод, возникает проблема — доказать непротиворечивость устанавливаемых аксиом. Ведь при выборе, трактовке и употреблении аксиом и правил мы не хотим зависеть только от доброй веры и слепого доверия. В геометрии и физических теориях доказательство непротиворечивости удаётся свести к вопросу о непротиворечивости аксиом арифметики. К самой арифметике этот метод, очевидно, не применим. Наша теория доказательства на основании метода идеальных элементов разрешает сделать этот последний важный шаг и тем самым завершает постройку учения об аксиоматике. И то, что мы дважды пережили, когда сначала речь шла о парадоксах исчисления бесконечно малых, а затем — о парадоксах теории множеств, — это впредь в царстве математики невозможно.

Наша теория доказательства, набросок которой мы здесь дали, в состоянии не только сделать надёжными основы математической науки, но, я полагаю, открывает дорогу для разработки общих вопросов принципиального характера, попадающих в область математических размышлений — вопросов, к которым раньше не могли приступить.

Математика превращается, некоторым образом, в третейского судью, в трибунал высшей инстанции, выносящий решение по принципиальным вопросам, причём такое расширение роли математики происходит на конкретной базе, на которой все должны суметь договориться, и где каждое утверждение контролируемо.

Так же и утверждения нового, так называемого «интуиционизма», — как бы скромны они ни были, — прежде всего должны, по моему мнению, получить от этого трибунала своё право на существование.

В заключение мы хотим из всех наших рассуждений сделать некоторое резюме о бесконечном. Общий вывод таков: бесконечное нигде не реализуется. Его нет в природе, и оно недопустимо как основа нашего разумного мышления, — здесь мы имеем замечательную гармонию между бытием и мышлением. В противоположность стремлениям Фреге и Дедекинда, мы пришли к убеждению, что в качестве предварительного условия для возможности научного познания необходимы некоторые геометрически наглядные представления и рассмотрения и что одна только логика недостаточна. Оперирование с бесконечным может стать надёжным только через конечное.

Роль, которая остаётся бесконечному, это только роль идеи, — если, согласно Канту, под идеей подразумевать понятие, образованное разумом, которое выходит за пределы всякого опыта и посредством которого конкретное дополняется в смысле цельности, — более того, идеи, которой мы можем вполне доверять в рамках, поставленных теорией, намеченной и защищаемой мною здесь.

Наконец, я хотел бы выразить свою благодарность П. Бернайсу за проведённую совместную работу и ценную помощь, оказанную им мне как по существу вопроса, так и в отношении редакции.



Добавлено: 2006-02-02
Посещений текста: 3836

[ Назад ]





© Павел Гуданец 2004-2017 гг.
 инСайт

При информационной поддержке:
Институт Транспорта и Связи