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在数理逻辑中,通常把∀x,p(x) 解释为:对任何(或所有)x,命题p(x)成立。
这是不严谨的。
对任何x成立和对所有x成立并不一定是一回事,故不应该混淆,也不应该用同一个符号表示。为此,本文用∀x表示对所有x,用∀*x表示对任意x。
为了讨论方便,以下把∀称为全称量词,把∀*称为准全称量词。
容易证明:
∀x,p(x)一﹥∀*x,p(x)
这是因为,既然对所有的x,p(χ)都成立,对于任何一个x,p(x)当然也成立了。
但其逆命题,
∀*x,p(x)一﹥∀x,p(x)
就不一定成立了。
为了叙述方便,以下把上述逆命题称为可以将"任何"推广到"所有"即把准全称量词推广到全称量词。
有时候,将“任何”推广到“所有”,似乎是显然的。例如,口袋里任何一个球都是白色的,马上可以得出,口袋里所有的球都是白色的,但有时候就不那么简单了,例如班里任何人只要足够努力都可以得到第一名,并不能推出,班里所有人只要足够努力都能得到第一名, 这是因为,通常只能有一个或数个人是第一名。
再例如,有限或无限大的苹果园里任意一个苹果都可以放到某一个篮子里,并不等于苹果园里所有的苹果都可以放到这个篮子里,这是因为,篮子的容量是有限的,通常不可能放下所有苹果。
因此,严格来说,如果希望把“准全称量词”推广到“全称量词”,是需要经过证明的,例如可以用数学归纳法来进行证明或否证。
数学归纳法的步骤是,若要证明某命题p(n)对所有自然数n成立,则必须证明:
1)n足够小(例如n=1)时该命题成立,即p(1)成立,
2)假设对n=k时该命题成立,则可证明n=k+1时,该命题仍然成立,即若p(k)成立,则p(k+1)成立。
由于其中第一个步骤通常很容易验证,所以关键是第二个步骤。
例如,如果篮子的容量是最多放k个苹果, 则篮子可以放k个苹果时推不出篮子可以放k+1个苹果,因此,任何一个苹果都可以放进篮子,并不能推出所有苹果都能放进篮子。
同理,在花瓶和球悖论中,根据可以将任意第k个球取出,也推不出可以将第k+1个球取出:取出第k个球之前,已有第k+1~10k个球已放入花瓶。
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花瓶和球悖论:假设有一个无穷大的花瓶和无穷多个球,球用自然数编号,执行下面的操作:第一次,往花瓶里放进1至10号球,同时取出1号球;第二次,往花瓶里放进11至20号球, 同时取出2号球.....,无穷次后,花瓶里有多少个球呢?
不要说是中国小学生,就是外国小学生也很容易回答这个问题:每次相当于放进了9个球,第n次操作后,剩下的球的数目是9n个,所以无穷次后,有无穷多个球。
这个结果显然是确定无疑的。
但有的数学家是这样算的:第1次拿出了1号球,第2次拿出了2号球...第n次拿出了n号球,无限次后,所有编号的球都被拿出来了,所以最后没有球。
其逻辑基础是,既然任意一个球都能拿出,那么所有球就都能拿出。
所以,不加证明地以为,对“任何”成立,必然对“所有”成立,是错的,想得太简单了!
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在对角线论证中,也有类似情形:
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对角线论证:根据可列假定将小数a1,a2,a3…….一一列出,
a1=0.a11a12a13....
a2=0.a21a22a23.... (1)
a3=0.a31a32a33....
.......
等号右端组成了一个无限大的矩阵。矩阵的行数表示所列小数的个数,列数则表示所列小数的位数。 设
b=0.b1b2b3... (2)
bk≠akk, (k =1,2,3,...) (3)
容易证明,对任意k ,总存在bk≠akk,使得b=b1b2….bk时,ak≠b,即
∀*k,ak≠b (4)
与花瓶和球悖论一样,康托不加证明地将(4)推广至:
∀k,ak≠b (5)
从而与(1)已将实数一一列出形成矛盾。
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在以上推导中,在公式(4)及(4)之前一点问题都没有。到目前为止,思维不够严谨的康托及一般数学家的认知水平也就仅到此为止了。但如前所述,从公式(4)到公式(5)需要经过数学归纳法的论证,但这个论证并不成立:对任意k,我们并不知道bk+1为多少,当然也无法保证b=b1b2….bkbk+1时,b≠ak+1,即无法完成数学归纳法的第二个步骤:若对任何n=k时命题成立,需推出n=k+1时,该命题仍然成立。
这里要注意,数学归纳法在证明的过程中,只需要也只能讨论有限的情况,比如我们在证明过程中讨论b时,只需要也只能讨论作为有限小数的b,但结果却可推广到作为无限小数的b。而在证明过程中,就把b当做是无限小数,这在逻辑上是一种循环:把还没有得出推导结果用到推导过程中了。
在没有证明的情况下就贸然将“任何”推广到“所有”,已经是不严谨的了,更何况由于无法完成数学归纳法的第二个步骤,实际上已经否证了可以将“任何”推广到“所有”。
在我的上一篇博文中,还用数学归纳法非常简单且严格地证明了b始终在(1)内。
所以,对角线并没有证明小数不可列。
混淆全称量词和准全称量词,不但必然造成悖论(例如花瓶与球悖论),也必然造成错误(例如对角线论证中的错误)。
数理逻辑本身就不严谨,建立在数理逻辑基础之上的数学会严谨吗?
或许,数学需要重新启动?
高度的严谨是包括数学在内的任何科学的基本特点。 纠正康托高举“数学是自由的”大旗而造成的随意、不严谨的学风,是任何一个仍然坚持严谨学风的人的使命。
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