Georg Cantor

Georg Ferdinand Ludwig Philipp Cantor (3. maaliskuuta 1845 - 6. tammikuuta 1918) oli saksalainen matemaatikko, joka tunnetaan parhaiten joukko-opin luojana.

Georg Cantor syntyi Pietarissa. Isänsä toivomuksesta Cantor opiskeli insinööriksi. Matemaattiset harrastukset vetivät kuitenkin häntä puoleensa. Hänestä tuli nopeasti Hallen yliopiston opettaja.

Georg Cantor on tullut kuuluisaksi erityisesti äärettömien joukkojen mahtavuutta koskevista tutkimuksistaan. Ensimmäisen äärettömyyden ongelmia käsittelevän kirjoituksensa hän julkaisi vuonna 1874. Siinä hän esittää luokittelun äärettömille joukoille ja äärettömien kardinaali- ja ordinaalilukujen aritmetiikan.

Kahden joukon välinen kuvaus

Cantor määritteli joukkojen mahtavuuden käsitteen tarkastelemalla joukkojen välisiä yksi-yhteen kuvauksia. Kahta joukkoa voidaan pitää keskenään yhtä mahtavina, jos niiden välille voidaan määrittää yksi-yhteen kuvaus. Jokaisella äärellisellä joukolla on se ominaisuus, että se on mahtavampi kuin mikä tahansa sen aito osajoukko. Ääretön joukko sen sijaan voi olla yhtä mahtava kuin sen aito osajoukko. Esimerkiksi kaikkien luonnollisten lukujen joukko

\mathbb{N}

on yhtä mahtava, kuin parillisten luonnollisten lukujen joukko

2\mathbb{N}

Cantor osoitti, että algebrallisten lukujen joukon mahtavuus on sama kuin luonnollisten lukujen. Kokonaislukukertoimiselle polynomille voidaan nimittäin määritellä korkeus, joka on polynomin asteluvun ja sen kertoimien itseisarvojen summa. Kutakin korkeutta kohden on olemassa ainoastaan äärellinen määrä algebrallisia lukuja, jotka saadaan kyseistä korkeutta olevien polynomien nollakohtina.

Äärettömien joukkojen mahtavuutta tarkastellessaan Cantor havaitsi, että kaikkien äärettömien joukkojen mahtavuuden ei tarvitse olla sama, toisin kuin häntä ennen oli ajateltu. Cantor onnistui osoittamaan, että esim. reaalilukujen joukko $\mathbb{R}$ on mahtavampi kuin luonnollisten lukujen joukko $\mathbb{N}$ . Tähän hän päätyi mm. diagonaalikonstruktiollaan.

Cantorin tuloksista seuraa, että kaikki reaaliluvut eivät ole algebrallisia. Ei-algebrallisia reaalilukuja (ja kompleksilukuja) sanotaan transkendenttiluvuiksi. Jonkin aikaa olikin ongelmana, että näitä lukuja tiedettiin olevan olemassa, mutta niitä ei heti onnistuttu konstruoimaan. Transkendenttilukujen tutkimus on nykyään merkittävä algebrallisen lukuteorian tutkimushaara.

Cantor osoitti, että annetun joukon potenssijoukko eli kaikkien osajoukkojen joukko on aina mahtavampi kuin joukko itse. Tällä tavalla hän sai muodostettua äärettömien joukkojen jonon $\mathbb{N}, P(\mathbb{N}), P(P(\mathbb{N})),...$ jossa jokainen uusi joukko on aina edeltäjäänsä mahtavampi.

Cantor otti käyttöön lyhyet merkinnät eo. jonon kardinaaliluvuille, ts. yhtä mahtavien joukkojen kokoelmille. Pienintä ääretöntä eli luonnollisten lukujen joukon kardinaalilukua hän merkitsi heprealaisella alef-kirjaimella varustettuna alaindeksillä 0, ts. $\alef_0$ , luonnollisten lukujen potenssijoukon kardinaalilukua $\alef_1$ jne.

Cantorin onnistui osoittaa, että reaalilukujen joukon kardinaaliluku on yhtä suuri kuin luonnollisten lukujen joukon kaikkien osajoukkojen kokoelman kardinaaliluku. Pyrkiessään osoittamaan tämän ensimmäiseksi ylinumeroituvaksi kardinaaliluvuksi hän päätyi esittämään ns. kontinuumihypoteesin. Hypoteesin mukaan ei ole olemassa joukkoa, jonka mahtavuus olisi suurempi kuin luonnollisten lukujen joukon numeroituva äärettömyys, mutta pienempi kuin sen osajoukkojen kokoelman. Lukuisista yrityksistä huolimatta kontinuumihypoteesia ei onnistuttu todistamaan eikä kumoamaan. Sen sijaan nykyisin tiedetään (Gödel, 1938, ja Cohen, 1963), että kumpikaan vaihtoehto ei ole ristiriidassa joukko-opin aksioomien kanssa. Näin ollen kontinuumihypoteesia ei voida joukko-opin aksioomien perusteella todistaa eikä kumota. Se on niistä riippumaton.

Cantorin ajatukset kohtasivat matemaatikkopiireissä runsaasti vastustusta. Cantorin vastustajista tunnetuimpia oli Leopold Kronecker. Osaksi vastustuksen voidaan katsoa johtuneen matemaatikoiden piintyneistä ajatustavoista ja ennakkoluuloista. Joukon käsitteen epämääräisyys antoi kuitenkin pian aihetta myös vakaville vastaväitteille. Merkittävät loogiset paradoksit, joista tunnetuimpia lienee Russellin paradoksi osoittivat 'liian suuriin' joukkoihin liittyvän erittäin vakavia loogisia ongelmia. Russellin paradoksi syntyy, kun ajatellaan muodostettavaksi joukon, jonka alkioina ovat ne joukot, jotka eivät ole itsensä alkioita. Tällöin kyseinen joukko on itsensä alkio jos ja vain jos se ei ole itsensä alkio. Paradoksien vuoksi matemaatikoiden oli lähdettävä etsimään joukko-opille sellaista aksiomaattista perustaa, jonka avulla paradoksit tai niitä aiheuttavat joukot voitaisiin sulkea teoriasta pois. Saksalainen Ernst Zermelo (1871-1956) pyrki pelastamaan joukko-oppia aksiomaattista lähestymistapaa kehittäen. Bertrand Russell ja Alfred North Whitehead ja kehittivät Principia Mathematica -teoksessaan (1910-1913) samaan tarkoitukseen joukkoja luokittelevan tyyppiteorian.

Cantor otti teoriaansa kohdistuneen kritiikin hyvin vakavasti. Elämänsä viimeiset vuodet hän vietti mielisairaalassa.

Georg Cantor

Katso myös