Posted in 2019
Strictly between
This is the third in a short series of blog posts intended to explain the terms in red in the following sentence, that succinctly describes the Continuum Hypothesis.
There is no set whose cardinality is strictly between that of the integers and the real numbers.
These are, in the words of John Lloyd, the bits that he does not understand.
Thus far we have dealt with set in this post and this one, and with the notion of cardinality in this one.
To recap our findings: we first came to the disappointing realisation that the definitions proposed by Georg Cantor, very strictly speaking, did not deliver on their promises. There is a way out of this via the development of Axiomatic Set Theory but that would take us too far afield.
In the spirit of Cantor we can define a set to be a well-defined collection of objects as long as we furnish a good description/definition of that collection.
As to cardinality: we consider it a property that every set has and that leads to two derived properties of pairs of sets that are defined unambiguously.
Two sets, X and Y, are said to have the same cardinality if “it is possible to put them, by some law, in such a relation to one another that to every element of each one of them corresponds one and only one element of the other” (Cantor, translation by Jourdain). We simply abbreviate this as |X|=|Y|. Additionally we can define what |X|≤|Y| (“the cardinality of X is less than or equal to that of Y”) means that there is a subset Z of Y such that |X|=|Z| (“X has the same cardinality as some subset of Y”).
In this post there are some examples of sets with the same cardinality (provinces of the Netherlands, and months of the year) and with different cardinalities (two teaspoons of chocolate sprinkles).
It is now actually quite straightforward to come to the definition of strictly between. First we define `strictly less’; then `strictly between’ is a combination of twice `strictly less’.
In the example of the chocolate sprinkles the cardinality of the sprinkles in the left hand spoon was strictly less that the cardinality on the right hand side. I paired off the sprinkles on the left with a subset of the sprinkles on the right and it was at once clear that there was no way to pair off both sets with each other. In short, we saw that |L|≤|R| and that |L|≠|R|. And this will be our definition of “the cardinality of X is strictly less than that of Y”, in symbols |X|<|Y|: it is the conjuction of |X|≤|Y| and |X|≠|Y|.
Cantor’s seminal theorem from 1873 can be summarized as |N|<|R|, where N and R denote the sets of natural and real numbers respectively (more on the definition of these in later posts).
Since N is a subset of R it is clear that |N|≤|R|; the hard part of Cantor’s proof was to show that |N|≠|R|, i.e., that there is no way to pair off the natural numbers and the real numbers with each other.
So “the cardinality of Y is strictly between the cardinalities of X and Z” is the conjuction of |X|<|Y| and |Y|<|Z| and ultimately comes down to the following four statements:
- X can be put into one-to-one correspondentce with a subset of Y,
- Y can be put into one-to-one correspondentce with a subset of Z,
- X cannot be put into one-to-one correspondentce with Y, and
- Y cannot be put into one-to-one correspondentce with Z
For explicitly given sets it is often not too difficult to establish whether this state of affairs holds or not; certainly not with all the tools that Cantor and his followers have developed.
In the case of the Continuum Hypothesis matters lie differently: two of the three sets are there; one should produce the third in the middle, or show that no third exists. At the beginning of the 20th century either possibility probably seemed like an insurmountable task, although Cantor strongly believed in the second alternative.
Loterijen? Eerder de Lotto.
Gisteren, in het stuk over bijna-disjuncte families, heb ik het niet over de loterijen gehad waar het in stuk in NewScientist over ging. Sommige mensen waren benieuwd naar die metafoor voor het resultaat in het artikel van David Schrittesser en Asger Törnquist. Ik doe hier een poging zo’n loterij te beschrijven. Ik laat het aan de lezer om te beoordelen welke uitleg beter is: de feitelijke in de vorige post of de metaforische hieronder.
Om te beginnen: `loterij’ is eigenlijk een verkeerde vertaling van het Amerikaanse `lottery’. Bij een loterij koop je een lot en weet je niet wat je lotnummer zal zijn. In een lottery kies je zelf de getallen op je kaartje. Het is dus eerder te vergelijken met onze Lotto. De beschrijving van de `loterij’ in NewScientist is ook eerder die van een variant op de Lotto dan op de Staatsloterij.
Een oneindige variant op de Lotto
In plaats van 6 uit 45 kiezen we getallen uit N. Met de betekenis van het woord `bijna’ van gisteren in gedachten leggen we vast dat we niet `bijna niets’ en ook niet `bijna alles’ mogen kiezen: we moeten er oneindig veel kiezen (aankruisen) en we moeten er oneindig veel niet aankruisen.
Een `formulier’ heeft dus oneindig lange kolommen (net zo lang als N) en oneindig veel kolommen. Je mag dus, kennelijk, oneindig veel kolommen invullen. Wat in het stuk niet duidelijk vermeld wordt is hoe je een prijs kunt winnen.
Maar met het artikel in de hand kunnen we wel wat regels opstellen. Het artikel bewijst namelijk dat oneindige maximale bijna-disjuncte families niet bestaan (dat `oneindige’ heb ik gisteren voor het gemak weggelaten maar dat wordt nu belangrijk); het stukje zegt dat er geen winnende formulieren bestaan. Conclusie: een (zeker) winnend formulier heeft in de kolommen een oneindige maximale bijna-disjuncte familie.
Daaruit concluderen we dan dat een winnende kolom een oneindige doorsnede heeft met de getrokken deelverzameling van N.
We halen hier ook nog wat voorwaarden uit waaraan een geldig formulier aan moet voldoen: niet alleen mag je in één kolom niet bijna alle getallen aankruisen, ook mag je er niet voor zorgen dat je over een eindig aantal kolommen bijna alle getallen aankruist. Als je bijvoorbeeld over tien kolommen achtereenvolgens de tienvouden, tienvouden-plus-1, … tienvouden-plus-9 aankruist win je ook zeker; die tien verzamelingen vormen een eindige maximale bijna-disjuncte familie.
Samengevat: op je formulier kruis je in een aantal kolommen telkens oneindig veel getallen aan. Dat aantal kolommen mag eindig zijn maar hoe dan ook: in elke eindige greep kolommen mag je nooit samen bijna alle getallen aankruisen. Je wint als je in ten minste één kolom oneindig veel getrokken getallen hebt aangekruist.
Door je kolommen bijna-disjunct in te vullen spreid je je inzet het zuinigst; twee kolommen met een oneindige doorsnede hebben een grote overlap aan mogelijkheden. Ten slotte: als je kolommen een maximale bijna-disjuncte familie vormen dan bevat je formulier, per definitie, een winnende kolom.
Het bestaan van (zuinige) winnende formulieren
Het stuk in NewScientist vertelt niet de hele waarheid. De suggestie wordt gewekt dat winnende formulieren niet bestaan. Dat is slechts voor de helft waar. Je kunt bewijzen dat zeker winnende en zuinige formulieren bestaan, met behulp van het Lemma van Zorn (een equivalent van het Keuzeaxioma).
Sommige wiskundigen vragen zich in dit soort situaties af of het Lemma van Zorn wel nodig is bij zo’n concrete vraag; dat Lemma levert namelijk nogal zwaar geschut. En dat is nu wat David Schrittesser en Asger Törnquist hebben vastgesteld: je hebt zwaar geschut nodig; er is bestaat een situatie waarin dat zware geschut niet voorhanden is en waarin geen enkele maximale bijna-disjuncte familie bestaat.
Loterijen? Nou, nee.
Vanochtend (2019-09-19) vond ik via twitter dit artikel uit NewScientist (een vrij letterlijke vertaling van dit stuk. Nadat ik het verhaal over niet-bestaande oneindige loterijen had gelezen was ik nog niets wijzer geworden. Na doorklikken naar het originele artikel zag ik dat ik het al eerder had gezien in april, op ArXiV.org en dat het niets met loterijen te maken had.
Maar waar gaat het artikel dan wel over? Over bijna-disjuncte families. En wat zijn dat nu weer?
Eén van mijn favoriete objecten in de verzamelingenleer is de familie van alle deelverzamelingen van de verzameling N der natuurlijke getallen. Dit is een nimmer opdrogende bron van vragen en resultaten die in veel delen van de wiskunde gebruikt worden maar die gewoon ook leuk zijn om aan te werken.
Hierbij is het bijwoord `bijna’ bijna niet te vermijden. In het artikel waar we het hier over hebben past men `bijna’ dus toe op `disjunct’. Nu noemen we twee verzamelingen A en B `disjunct’ als hun doorsnede leeg is, A∩B=∅, als er geen x is die zowel in A als in B zit.
Het woord `bijna’ kort eigenlijk het wat uitgebreidere `op eindig veel na’ af: twee verzamelingen zijn bijna disjunct als hun doorsnede eindig is — `hun doorsnede is op eindig veel elementen na leeg’. Hierbij eisen we wel dat de verzamelingen zelf oneindig zijn want anders is bijna-disjunctheid niet zo spannend.
De twee verzamelingen E en O van respectievelijk de even en oneven getallen zijn disjunct; er is geen natuurlijk getal van tegelijk even en oneven is.
Hier is een mooie truc, van Sierpinski uit 1928: voor elk positief irrationaal getal x en voor elk natuurlijk getal n doen we het volgende: bepaal n×x, neem het gehele deel [n×x] (gooi alles achter de komma weg) en deel dat weer door n.
Bij vaste x krijg je zo een rij rationale getallen: [x], [2x]/2, [3x]/3, [4x]/4, … Bij π bijvoorbeeld krijgen we zo 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 25/8, 28/9, 31/10, 34/11, 37/12, …
Uit de definitie van de rij volgt dat 0<x-[n×x]/n<1/n voor alle n en dit betekent iets voor de bijbehorende verzamelingen termen. Bij elke x stoppen we de termen van de rij in de verzameling Sx, dus Sπ={3, 25/8, 28/9, 31/10, 34/11, 37/12, …}.
Neem nu eens twee irrationale getallen x en y met x<y; dan geldt voor n>1/(y-x) dat [n×y]/n>y-1/n>x, en dus zit [n×y]/n niet in Sx. We concluderen dat de verzamelingen Sx en Sy bijna disjunct zijn.
De verzamelingen Sx vormen het soort familie waar het artikel over gaat: een bijna-disjuncte familie, elk tweetal elementen is bijna disjunct (en elke Sx heeft oneindig veel elementen).
Het voorbeeld van Sierpinski laat zien dat er een groot verschil is tussen `disjunct’ en `bijna disjunct’. Als een familie disjunct is dan zit elk punt in ten hoogste één element van de familie. De bijna-disjuncte familie van Sierpinski bestaat uit verzamelingen rationale getallen, daar zijn er evenveel van als natuurlijke getallen. De familie zelf heeft evenveel elementen als er positieve irrationale getallen en dat zijn er veel en veel meer als er natuurlijke getallen zijn (en dat is allemaal precies te maken). Dat zorgt er voor dat veel van de rationale getallen in meer dan één verzameling Sx zitten.
Maar goed, terug naar het artikel. Het hoofdresultaat zegt iets over de aard van bijna-disjuncte families deelverzamelingen van N: onder bepaalde omstandigheden is er geen maximale bijna-disjuncte familie. Als je zo’n familie hebt kun je er een oneindige deelverzameling van N bij doen zó dat de grotere familie ook bijna-disjunct is (en nog één, en nog één, …).
Wat dit nou met loterijen te maken heeft? Ik zou willen zeggen dat ik geen idee heb maar dat heb ik wel. Ik vind de vergelijking echter zó vergezocht dat ik de lezer er niet mee lastig wil vallen. En ik denk eigenlijk dat de uitleg van die vergelijking lastiger is dan die van het resultaat zelf.
Birthday Paradox on steroids.
Most of us are familiar with the so-called Birthday Paradox: the probability in a group of 23 people there are (at least) two who share a birthday is larger than 50%. If you are not familiar with this result then you could peek at the calculation on the Wikipedia page or try it for yourself (big hint calculate the probability that no two people in the group share a birthday).
In Act One of Episode 630 of This American Life we see another take on this phenomenon. It occurs in the context of voter fraud, in particular double voting. In this case, a bit simplified, one looks at the probability that in the group of American Voters two of them would have the same name and the same birthday (including the year).
Listen to the episode to see that basically all cases of `double voting’ can be accounted for by chance alone. And then you may want to read the paper on which the item was based, and visit the website of Sharad Goel (who was featured in the broadcast).
Upgoer Five
Today I was reminded of the Upgoer Five Editor, which was inspired by this XKCD cartoon (an explanation of the workings of the Saturn V rocket in very simple words).
I knew I had tried it once and thanks to twitter I could find my `explanation’ of bijections and a `definition’ of infinity again. This is just a short post so that I have an obvious place to look for the link to that short piece, when I need it.
Also, it will be fun to do this in Norwegian.
Dikke en dunne verzamelingen
Gisteren hebben we gekeken naar de wiskunde achter het vermoeden van Duffin en Schaeffer. Wat daar niet goed uit de verf kwam waren de noties van `dikke’ en `dunne’ verzamelingen. Daar doen we vandaag wat aan.
Zoals gisteren en in de krant beschreven gaat het vermoeden van Duffin en Schaeffer over benaderingen van irrationale getallen met behulp van breuken. De situatie is als volgt: neem een rij (xn)n van positieve reële getallen en noem een irrationaal getal α goed benaderbaar, volgens de gegeven rij, als er oneindig veel natuurlijke getallen n bestaan met voor elk van die n een breuk t/n met noemer n bestaat zó dat |α-t/n|<xn.
De vraag is dan natuurlijk of er irrationale getallen zijn die goed te benaderen zijn. Gisteren hebben we gezien dat als x_n=n-2 alle irrationale getallen goed te benaderen zijn. Met een beroep op de gisteren ook genoemde Categoriestelling van Baire kunnen we laten zien dat er altijd heel veel goed benaderbare irrationale getallen zijn. Net als gisteren bekijken we voor elke n de intervallen (0,xn), (1/n-xn,1/n+xn) … (1-1/n-xn,1-1/n+xn), (1-xn,1). Hun vereniging noemen we An.
Neem een (klein) interval (a,b) binnen (0,1); dan geldt voor elke n met 1/n<b-a dat An en (a,b) een niet-lege doorsnede hebben (bedenk maar eens waarom dat zo is). Dit betekent dat indien we voor elke n de verzamelingen An, An+1, An+2, … verenigen tot de verzameling On we een verzameling krijgen die met elk intervalletje getallen gemeen heeft. De stelling van Baire garandeert nu dat er heel veel getallen bestaan die tot alle On behoren, en dus tot oneindig veel van de An (denk daar ook maar eens goed over na). Al die getallen zijn dus goed benaderbaar, volgens de gegeven rij.
In topologische zin is het complement van die verzameling goed benaderbare getallen nogal dunnetjes, in het Engels: meagre; de verzameling goed benaderbare getallen is dus, topologisch gesproken, bijna het hele interval (0,1) een dikke verzameling dus.
Het vermoeden van Duffin en Schaeffer ging over een andere notie van dik en dun. Laten we de verzameling goed benaderbare getallen, bij de rij (xn)n, even noteren met G(x). De nu bewezen stelling kijkt naar de (totale) lengte van de intervalletjes die we hierboven gebruikt hebben. Voor elke n is de totale lengte van An gelijk aan 2×n×xn. Als de xn-en te klein zijn zal de verzameling G(x) volgens deze notie als dun aangemerkt worden in die zin dat de kans dat een irrationaal getal goed benaderbaar is gelijk is aan 0.
De stelling van Dimitris Koukoulopoulos en James Maynard spreekt uit dat voor elke rij (xn)n de verzameling G(x) hetzij kans gelijk aan 1 heeft om geraakt te worden, hetzij kans 0; een tussenweg is er niet. Daarnaast geeft de stelling precies aan voor welke rijen kans 1 geldt en voor welke rijen kans 0.
We hebben hier dus twee soorten `dik en dun’ gezien: topologisch en kanstheoretisch. Beide noties worden in de Analyse toegepast om te laten zien dat bepaalde objecten bestaan: als je laat zien dat de verzameling van die dingen `dik’ is is die zeker niet leeg.
Voor topologen is de verzameling goed benaderbare getallen altijd `dik’; voor kansrekenaars is hij soms `dik’ en soms `dun’. Dit klinkt paradoxaal, maar is het niet: het is `gewoon’ een gevolg van de definities. En het illusteert wel treffend de titel van de column die gisteren is aangehaald: ‘De kans is nul’ is niet hetzelfde als ‘dat gaat niet gebeuren’.
Het vermoeden van Duffin en Schaeffer
Recentelijk is het Duffin-Schaeffer-vermoeden bewezen. U kunt de preprint hier lezen. In de krant is er ook aandacht aan besteed. Ik wil hier iets meer over de wiskunde achter dit vermoeden vertellen.
Het vermoeden, nu dus een stelling, zegt iets over het benaderen van irrationale getallen met behulp van rationale getallen. De vraag is in het algemeen hoe efficiëent dergelijke benaderingen kunnen zijn.
Nu zullen de meningen over wat efficiënt is uiteen lopen maar de benaderingen die we in de praktijk gebruiken, namelijk afgekapte decimale ontwikkelingen, zijn het niet echt. Als die afgekapte ontwikkelingen als breuk schrijft is die breuk vrijwel nooit te vereenvoudigen: de benadering 3.14159265358979323846264338327 van π levert een onvereenvoudigbare breuk met een grote teller en een grote noemer.
Een goede benadering is er een waar de nauwkeurigheid groot is, vergeleken met de grootte van teller en noemer. Zo kun je 22/7 een goede benadering van π noemen omdat het verschil 22/7-π kleiner is dan 1/49. Het criterium dat we hier hanteren is: p/q is een goede benadering van α als |α-p/q| kleiner is dan 1/q2. Overigens is 19/6 ook een goede benadering: 19/6-π is kleiner dan 1/36.
Een beetje spelen met een rekenmachientje laat zien dat er geen goede benaderingen van π zijn met noemers 8 of 9.
Het vermoeden van Duffin en Schaeffer, nu dus de stelling van Dimitris Koukoulopoulos en James Maynard, gaat overigens niet over individuele irrationale getallen als π of √2. Het bekijkt de zaak van de andere kant en doet uitspraken over hoeveel irrationale getallen veel goede benaderingen hebben.
Je kunt bijvoorbeeld een vaste noemer n nemen en kijken welke getallen een goede benadering met noemer n hebben. Hierbij beperken we ons tot het interval (0,1); getallen in andere intervallen krijgen we door over een geheel getal op te schuiven.
Nu is meteen duidelijk welke getallen een goede benadering met noemer n hebben: die liggen in de intervalletjes van de vorm (k/n-1/n2,k/n+1/n2), met k=1,…,n-1, en in (0,1/n2) en (1-1/n2,1).
De totale lengte van die intervallen is gelijk aan 2/n (reken maar na).
Hiermee kun je voorspellingen doen: omdat 2/10+2/11+2/12+2/13+2/14+2/15 kleiner is dan 1 zijn er getallen zonder goede benadering met noemers 10 tot en met 15.
Noem de vereniging van de intervalletjes hierboven even An. Met behulp van de Categoriestelling van Baire kun je bewijzen dat er een relatief `dikke’ deelverzameling van het interval (0,1) is waarvan elk element tot oneindig veel van de An behoort en dus oneindig veel goede benaderingen heeft.
Dit nu is de aard van de stelling van Dimitris Koukoulopoulos en James Maynard: deze geeft, bij bepaalde definities van `goede benadering’, voorwaarden onder welke de verzameling getallen met oneindig veel goede benaderingen heel `dik’ is of juist heel `dun’, waarbij `dik’ en `dun’ ondubbelzinnige definities hebben. Daarnaast geeft de stelling ook een dichotomie: `dik’ en `dun’ zijn de enige mogelijkheden. Het is nooit zo dat ongeveer de helft van de getallen oneindig veel goede benaderingen hebben; de kans is altijd gelijk aan nul (wat niet betekent dat er geen getallen zonder oneindig veel goede benaderingen zijn) of gelijk aan één.
In het krantenartikel wordt nog het volgende voorbeeld van `mooie’ benaderingen gegeven: als hierboven moet |α-p/q| kleiner zijn dan 1/q2, maar q moet zelf ook een kwadraat zijn. In dat geval is de kans op oneindig veel mooie benaderingen gelijk aan nul, maar de bovengenoemde stelling van Baire garandeert toch dat er heel veel irrationale getallen met oneindig veel goede benaderingen zijn.
Ten slotte: voor de definitie van `goed’ waar dit stuk mee begon geldt dat <emelk irrationaal getal oneindig veel goede benaderingen heeft. Dat bewijs je niet met de methoden die hier beschreven zijn, daar moet je wat dieper de getaltheorie in duiken. Zie hiervoor de Wikipediapagina’s over Benaderingsstelling van Dirichlet en over Kettingbreuken.
What is cardinality?
This is the second in a short series of blog posts intended to explain the terms in red in the following sentence, that succinctly describes the Continuum Hypothesis.
There is no set whose cardinality is strictly between that of the integers and the real numbers.
These are, in the words of John Lloyd, the bits that he does not understand.
In the first post and its addendum we dealt with the difficulty that any definition of the notion `set’ must, to some extent, be circuitous: one cannot avoid the use of a synonym, such as `collection’, `aggregate’, …
The next term in red in the sentence above is `cardinality’. Here the difficulty is worse.
To see why this is we turn to Georg Cantor again in his Beiträge zur Begründung der transfiniten Mengenlehre he gave the following definition.
,Mächtigkeit` oder ,Cardinalzahl` von M nennen wir den Allgemeinbegriff, welcher mit Hülfe unseres activen Denkvermögens dadurch aus der Menge M hervorgeht, dass von der Beschaffenheit ihrer verschiedenen Elemente m und von der Ordnung ihres Gegebenseins abstrahirt wird.
Das Resultat dieses zweifachen Abstractionsacts, die Kardinalzahl oder Mächtigkeit von M, bezeichnen wir mit |M|.
In the translation by Philip E. B. Jourdain this becomes
We will call by the name “power” or “cardinal number” of M the general concept which, by means of our active faculty of thought, arises from the aggregate M when we make abstraction of the nature of its various elements m and of the order in which they are given.
We denote the result of this double act of abstraction, the cardinal number or power of M by |M|.
As beautiful as this may sound it is actually meaningless. The phrases “active faculty of thought” and “abstraction of the nature” have no mathematical meaning. When one reads the next few pages of Cantor’s paper it becomes quite clear that this is an attempt to define `the number of elements’ of the set. Those next pages establish that two sets have the same power if and only if “it is possible to put them, by some law, in such a relation to one another that to every element of each one of them corresponds one and only one elemen of the other” (translation by Jourdain).
By way of example the sets of provinces of the Netherlands and of months of the year have the same power; the following relation between provinces and months establishes this:
(January,Groningen),
(February,Drente),
(March,Friesland),
(April,Overijssel),
(May,Flevoland),
(June,Gelderland),
(July,Utrecht),
(August,Noord-Holland),
(September,Zuid-Holland),
(October,Zeeland),
(November,Noord-Brabant),
(December,Limburg).
Every month corresponds to one and only one province and every province corresponds to one and only one month.
Before we continue: `cardinality’ is just another term for `power’.
The definition of power, or cardinality, or cardinal number is more incomplete than that of `set’. At least in the latter definition we had a synonym to fall back on; the definition of cardinality does not even have that contingency. However, and this is very important for what follows, even though `cardinality’ does not have a good definition the notion that two sets have the same cardinality does have a mathematically sound and workable definition: nowadays Cantor’s characterization of when two sets have the same power is taken as its definition.
As an aside: a similar thing can be said of the notion of length. If we ever come face to face it will be clear immediately whether the length of John Lloyd is larger or smaller than mine (or equal even) but unless we happen to have a tape measure handy we will not know our lengths, expressed in the local units.
Small children know how to compare the cardinalities of sets: a practical instance is given by chocolate sprinkles, a favourite Dutch breakfast item. If one takes two spoonfuls of these items it is quite easy to check whether these contain the same number of sprinkles. Here are two heaps of them:
I personally did the following: take one from each heap and eat them, and again, and again, and again, … after a while the … was empty and the other one was not. This means that the heaps did not contain the same number of sprinkles and I we can even say that the cardinality of the other heap of sprinkles was larger than that of the … one. This process was quite easy I could walk away and resume again later; I did not worry about losing my count because I did not count.
Thus we find ourselves in the strange situation that we have an undefined notion `cardinality of a set’, yet when we are given two sets we have a way of potentially deciding whether they have the same cardinality. We can even say when the cardinalities of two sets are comparable: if M has the same cardinality as some subset of N we can express this by saying that the cardinality of M is less than or equal to that of N, we can even write |M|≤|N| in that case. In the next installment we shall see that the next bit, strictly between, actually does have an unambiguous definition.
What is a set? (revisited)
This is an addendum to the first in a short series of blog posts intended to explain the terms in red in the following sentence, that succinctly describes the Continuum Hypothesis.
There is no set whose cardinality is strictly between that of the integers and the real numbers.
These are, in the words of John Lloyd, the bits that he does not understand.
The gist of the post referred to above was that, very strictly speaking, sets have no proper mathematical definition. The definitions that were quoted from the works of Bolzano and Cantor were, to a large extent, by synonym: “a set is a collection …”. The ellipsis would contain some conditions what the collection should satisfy to be deemed a set. But the definition would be incomplete because `collection’ remained undefined. Many definitions in mathematics suffer from a similar `defect’: at some point there is a primitive notion that is not further defined. In most every branch of mathematics that primitive notion turns out to be `set’ in some form or another.
That looks bad: Mathematics seems to be based on a badly defined notion. However not all is lost. Most of the time we know exactly what we are talking about. It is true that `collection’ is undefined but, as mentioned in the original post, we recognize one when we see one and in Mathematics we are very particular about how we work with them.
By way of example consider the books currently in our house. They form a well-defined collection: it is very clear which books are in that collection and which books are not. That collection forms what Bolzano and Cantor consider to be a set. It has an unambiguous definition. Just like the set of books in our house that have exactly 250 pages: everyone that we to gather `the books with exactly 250 pages’ will come back with the same collection. And the unambiguity separates the sets from the arbitrary collections. If I were to ask John Lloyd to gather the interesting books in our house he would most likely come out with a different collection than I would. The phrase `the interesting books in our house’ does not define a set.
What determines a set in mathematics is the unambigiuty of its definition: no matter who we set the task of determining what is in it, the answer should always be the same. That does not mean that that task is easy or doable in a (very) short time. The prime numbers form a set, a subset of the set of natural numbers, and for every individual natural number it is straightforward to determine whether it is prime or not, but separating them from the other natural numbers by hand is not an option.
Because of this and other examplese have developed the curly-braces notation for sets.
P = {n : n is a prime number}
is a properly defined set and for every natural number n we can decide whether n∈P (`n is in P’) or not.
And that is how mathematicians consider sets: as collections where membership can be checked unambiguously. Thus the advisoy committee of Episode 2, series 10 of the Museum of Curiosity forms a set, the funny members of that committee most likely do not. There is, alas, no unambiguous definition of `funny’.
Eindexamen wiskunde A, vwo, 2019-05-20
Het eindexamen wiskunde A (vwo) was afgelopen maandag. De opgaven staan hier; ik heb de sommen gemaakt en hier zijn mijn uitwerkingen en opmerkingen.
Het examen leek mij niet echt moeilijk maar ik vond het verband tussen de lange inleidingen en de uiteindelijke sommen vaak wel ver te zoeken.
Recent Comments