Cantorjev diagonalni argument ni metoda za dokazovanje, da imata dve neskončni množici enako kardinalnost, temveč orodje za prikaz, da si nekatere neskončne množice kardinalno razlikujejo — torej da ni bijekcije med njima. Cantor je o lastnostih kardinalnosti in odnosih med množicami pisal v poznem 19. stoletju (med drugim v delih iz let 1877, 1891 in 1899), svojo diagonalno idejo je predstavil v delih iz istega obdobja (revija nemškega matematičnega društva in druga izhodišča). Po Cantorju imata dve množici enako kardinalnost, če obstaja bijektivna preslikava med njima — to deluje intuitivno za končne množice, medtem ko je pri neskončnih množicah treba previdno ločevati različne »velikosti« neskončnosti.
Kaj diagonalni argument dokazuje
Osrednja ugotovitev diagonalnega argumenta je, da je množica realnih števil (na primer interval [0,1]) neskončno večja od množice naravnih števil — ni mogoče izporediti (»našteti«) vseh realnih števil s seznamom, indeksiranim z naravnimi števili. Splošnejša in še močnejša Cantorjeva trditev pravi, da ima za vsako množico A njena potenčna množica P(A) strogo večjo kardinalnost kot sama A (Cantorjeva teorija potenčnih množic).
Ideja dokaza za realna števila (diagonalni trik)
Predpostavimo za protislovje, da bi bila množica realnih števil v intervalu [0,1] »preštevilna« — to pomeni, da bi jih lahko zapisali v seznam r1, r2, r3, ... Vsako ri izrazimo v decimalni (ali binarni) oblikI kot niza cifr. Zgradimo novo realno število r tako, da se njegova n-ta decimalka razlikuje od n-te decimalko števila rn (na primer: če je n-ta decimala rn enaka 3, vzamemo pri r številko 4; ali v binarnem zapisu zamenjamo 0 z 1 in obratno). Tako pridobljeno r se razlikuje od prvega v prvem decimalnem mestu, od drugega v drugem, itd., torej se razlikuje od vsakega števila iz seznama v vsaj enem decimalnem mestu. Zato r ni na seznamu — nasprotno s predpostavko, da seznam vsebuje vsa realna števila. To pomeni, da so realna števila nepreštevilna (uncountable).
Opomba o decimalnih predstavitvah: nekatera števila imajo dve decimalni predstavitvi (npr. 0,4999... = 0,5). To tehnično težavo odpravimo tako, da pri konstrukciji ne uporabljamo cifre 9 (ali izberemo binarni zapis), da zagotovimo, da novo število ni le alternativna predstavitev obstoječega števila na seznamu.
Cantorjeva teorema o potenčnih množicah (formalni diagonalni dokaz)
Naj bo A poljubna množica in predpostavimo, da obstaja funkcija f: A → P(A), ki domnevno preslika A na njegovo potenčno množico surjektivno. Definirajmo množico S = {x ∈ A | x ∉ f(x)}. Ker je S podmnožica A, bi moralo veljati, da S = f(y) za nek y ∈ A (če je f surjektivna). Zdaj preverimo, ali y ∈ S:
- Če y ∈ S, potem po definiciji S = f(y) vsebuje y, kar pomeni y ∈ f(y) — vendar S vsebuje natanko tiste elemente, ki niso v svojih slikah, kar je protislovje.
- Če y ∉ S, potem y ni v f(y), torej po definiciji S kot množice elementov, ki niso v svojih slikah, sledi y ∈ S — prav tako protislovje.
Torej takšne surjektivne funkcije f ne more biti. S tem je dokazano, da za vsako množico A velja |P(A)| > |A| — potenčna množica ima strogo večjo kardinalnost.
Posledice in pomen
- Različne vrste neskončnosti: Naravna števila, cela števila in racionalna števila so preštevilne (countable) — obstaja bijekcija z N. Realna števila so nepreštevilna; njihova kardinalnost pogosto označimo s 2^{aleph_0} ali c (»kontinuum«).
- Hierarhija kardinalnosti: Cantorjeva trditev o potenčnih množicah vodi do neskončnega naraščajočega zaporedja vedno večjih kardinalnosti: |A| < |P(A)| < |P(P(A))| < ...
- Kontinuum hipoteza: vprašanje, ali obstaja kardinalnost med |N| in |R| (to je, ali je |R| = aleph_1), je znano kot kontinumska hipoteza; to je neodvisno od običajnih aksiomov množic (ZFC).
- Uporabe zunaj teorije množic: diagonalizacija se uporablja tudi v logiki in računalniški teoriji — npr. v Gödelovih dokazih o nepopolnosti, pri dokazih nerazrešljivosti (Turingov problem ustavljanja) in pri redkih rezultatih v kompleksnostni teoriji.
Zaključek
Cantorjev diagonalni argument je preprosta, a globoka metoda, ki je spremenila razumevanje neskončnosti v matematiki. Pokaže, da se »velikost« neskončnih množic razlikuje in da so nekatere množice (kot realna števila ali potenčne množice poljubnih množic) kardinalno večje od drugih (kot so naravna števila). Razširjena raba diagonalizacije v matematiki in računalništvu kaže na univerzalnost in moč te metode.