El término ‘Infinito y más allá’ es popularizado por la película Toy Story. Está destinado a ser una descripción de la exploración humana y la imaginación y cómo no hay límites.
Sin embargo, si decidimos ser rigurosos, podemos mostrar que el infinito definido en cierto sentido tiene un más allá, incluso más infinitos hasta el infinito. Sin embargo, recuerde que esto se basa en las reglas que estamos utilizando para definir nuestro tipo de infinito con el que estamos trabajando,
Repasemos los diferentes tipos de infinito.
El primero es el más comúnmente utilizado en cálculo y análisis en general, es decir [math] \ infty [/ math]. Es importante recordar que este no es un número real; Es un símbolo utilizado en un límite para cuando algo se vuelve arbitrariamente grande. Si tiene cuidado, puede construir conjuntos con elementos adicionales como [math] \ infty [/ math] en una compactación de un punto, o [math] + \ infty, – \ infty [/ math] en un sistema de números reales extendido. Si lo hace, debe saber qué tipo de reglas de álgebra agradables está sacrificando.
Ahora para los infinitos que son más apropiados para la pregunta.
El primer tipo de infinito que puede definirse rigurosamente, que tiene infinitos más grandes son los ordinales. Se definen de la siguiente manera.
- Hay un ‘primer’ ordinal. Por lo general, esto es cero, pero puede etiquetarlos como desee.
- Cada ordinal tiene un sucesor, es decir, para algunos ordinales [matemática] X [/ matemática] hay un ordinal que viene después [matemática] X + 1 [/ matemática].
- Para cualquier conjunto de ordinales hay un primer ordinal que es más grande que cualquiera de los ordinales de ese conjunto. Esto se llama límite ordinal de un conjunto.
La forma más común de trabajar con ordinales es tratándolos como conjuntos. Con la regla de que un ordinal es más grande que otro si contiene como uno de sus elementos el otro ordinal. Entonces
- El conjunto vacío [math] \ {\} [/ math] es nuestro primer ordinal
- El sucesor de un ordinal [math] X [/ math] es el conjunto que contiene todos los ordinales hasta [math] X [/ math]
- El ordinal límite de un conjunto contiene como elementos todos los elementos de ese conjunto (así como todo lo demás necesario).
Entonces
[matemáticas] 0 = \ {\} [/ matemáticas]
[matemáticas] 1 = \ {\ {\} \} [/ matemáticas]
[matemáticas] 2 = \ {\ {\}, \ {\ {\} \} \} [/ matemáticas]
[matemáticas] 3 = \ {\ {\}, \ {\ {\} \}, \ {\ {\}, \ {\ {\} \} \} [/ matemáticas]
y así.
El ordinal límite de todos los ordinales finitos (los que corresponden a cero y los números naturales) se llama [math] \ omega [/ math]. Este es un valor infinito porque es más grande que cualquier número de conteo. Sin embargo, es un ordinal para que podamos continuar.
Sus sucesores son [matemáticas] \ omega + 1, \ omega + 2, \ omega + 3,… [/ matemáticas]
Tiene un límite ordinal [math] \ omega + \ omega = 2 \ omega [/ math]
Puedes continuar y construir [matemáticas] \ omega ^ 2, \ omega ^ 3,… \ omega ^ \ omega… \ omega ^ {\ omega ^ \ omega}… \ omega ^ {\ omega ^ {\ omega ^ \ omega }}[/matemáticas]
Como nota al margen, puede mostrar que no existe un conjunto de todos los ordinales, porque si los hubiera, también sería un ordinal. Esto es un problema porque ningún ordinal contiene su ordinal sucesor. Puede hacer algo similar para mostrar que no existe un conjunto de todos los conjuntos. Estas cosas son tan grandes que en su lugar se llaman clases apropiadas.
El siguiente tipo de infinito son los cardenales. Estos son los valores asignados al tamaño de un conjunto, también conocido como la cardinalidad de un conjunto. Decimos que dos conjuntos tienen el mismo tamaño o cardinalidad si podemos encontrar una biyección (uno a uno y en correspondencia) entre ellos. Es decir, podemos emparejarlos todos y no dejar nada atrás.
Por ejemplo, la cardinalidad del conjunto [math] \ {1,3,8, \ pi \} [/ math] es 4. Para un conjunto finito, es solo el número de cosas dentro y la misma cosa que la medida de conteo de un conjunto.
Para conjuntos infinitos no puede asignar un número de conteo (o cero), por lo que tenemos que usar cardenales infinitos. El primero de ellos es la cardinalidad de los números de conteo [math] \ N [/ math], y se denota [math] \ aleph_0 [/ math]. Cualquier conjunto que sea contable tiene esta misma cardinalidad, esto incluye los números de conteo, los enteros y los números racionales.
Sin embargo, los números reales (todos ellos o en un intervalo) no son contables. No puedes encontrar una biyección entre ellos y los naturales. El argumento de barra diagonal de Cantor lo muestra muy bien. Si hubiera una lista de todos los reales, entonces siempre puede encontrar uno que no esté en esa lista eligiendo un número diferente en el enésimo lugar del enésimo número, lo cual es una contradicción. La cardinalidad de los números reales se conoce como el continuo.
Entonces tenemos un ejemplo de un cardenal infinito más grande. ¿Cómo hacemos cardenales más grandes en general? La forma más fácil es construir el conjunto de potencia de un conjunto, y mostrarlo siempre es más grande en cardinalidad. El conjunto de potencia de un conjunto [matemática] X [/ matemática] se denota [matemática] P (X) [/ matemática]. El conjunto de potencia es el conjunto de todos los subconjuntos. Por lo tanto, no solo tiene todo el conjunto original, sino que tiene todas las formas posibles de elegir las cosas de ese conjunto. Como ejemplo
[matemáticas] X = \ {1,2,3 \} [/ matemáticas]
[matemáticas] P (X) = \ {\ {\}, \ {1 \}, \ {2 \}, \ {3 \}, \ {1,2 \}, \ {1,3 \}, \ {2,3 \}, \ {1,2,3 \} \} [/ matemáticas]
El conjunto de potencia de un conjunto contable es un conjunto incontable. Para cualquier conjunto, puede tomar su conjunto de potencia y obtener algo de mayor cardinalidad.
Resulta que el continuo es del mismo tamaño que el conjunto de potencia de los naturales. Esto se puede mostrar representando cualquier número real en el intervalo de la unidad en binario. Por ejemplo
[matemáticas] 0.1101100010101011010100101… [/ matemáticas]
Puede pensar en esto como un subconjunto de los números naturales y, por lo tanto, un elemento del conjunto de potencia. Piénselo como qué números naturales estoy eligiendo y cuáles estoy dejando atrás. Debes tener un poco de cuidado ya que uno seguido de un número infinito de ceros es igual a un cero seguido de un número infinito de unos.
Ahora hay una estrecha relación entre los cardenales y los ordinales. Uno de los cuales es que, dado que los ordinales son conjuntos, puede preguntar cuál es su cardinalidad. [math] \ omega [/ math] tiene cardinalidad [math] \ aleph_0 [/ math]. También lo hacen los sucesores y los ordinales de límite estándar. El primer ordinal incontable es [math] \ omega_1 [/ math], y su cardenal correspondiente es [math] \ aleph_1 [/ math].
Ahora para la parte divertida, ¿es [math] \ aleph_1 [/ math] lo mismo que el continuo? ¿Es [math] \ aleph_1 = card (P (X)), card (X) = \ aleph_0 [/ math]?
Esto se conoce como la hipótesis del continuo (CH), y Cantor lo preguntó. La respuesta es que es indecidible dentro de nuestro marco estándar de matemáticas. Eso está dentro de ZFC (ZF + C, Zermelo-Frankel con el Axioma de Elección) no se puede mostrar de ninguna manera. Puede suponer que es verdad, o suponer que es falso, y de cualquier manera está bien.
La hipótesis del continuo generalizado (GCH) establece que la forma de obtener el próximo cardenal es siempre tomando el conjunto de potencia. Resulta que GCH junto con ZF implica el Axioma de Elección.
Ahora para terminarlo. Siempre puede encontrar ordinales o cardinales que no solo son más grandes que cualquier cosa que haya construido antes, sino que también están en capas completamente nuevas que son inaccesibles a la capa anterior. Es decir, puedes encontrar cardenales hiper-inaccesibles, cardenales hiper-hiper-inaccesibles, … (vamos a encontrar un nuevo término para inaccesible sin importar cuántos hiperes ponemos) … cardenales súper inaccesibles, cardenales súper súper inaccesibles, …
Bueno, esta respuesta fue más larga de lo esperado. Espero que te guste.