بی‌نهایت

اصل موضوع اقلیدس: هر کل از هر جزء خود اکیداً بزرگ‌تر است.

اگرچه در دنیای طبیعی این اصل درست است، اما پس از ظهور مفهوم مجموعه مثال‌های نقضی برای آن پیدا شد. مثلاً واضح است که تعداد اعداد طبیعی با تعداد اعداد زوج طبیعی برابر است (کافی است هر عدد طبیعی را با دو برابرش متناظر کنیم)، در حالی که اعداد زوج طبیعی، جزئی از همه اعداد طبیعی هستند.

البته این نکته را نباید فراموش کرد که: مجموعه اعداد طبیعی یک کل می‌باشد که با کل اعداد زوج طبیعی مطابق است اما مفهوم اعداد طبیعی یک کلی است که همواره بیشتر از مفهوم کلی اعداد زوج طبیعی است و منظور از بیشتر به لفظ دقیق تر پیشتر می‌باشد که در تصور مفهوم دوم یعنی اعداد زوج به مفهوم اول نیاز است و عکس این قضیه صحیح نیست. در جمع‌بندی باید گفت: مجموعه اعداد طبیعی با مجموعه هر عددی حتی یک برابر است زیرا با فرمولی که با هر متغیر ورودی تغییر می‌کند همواره به عدد ثابتی خواهیم رسید که مثلاً می‌توان گفت: مجموعه اعداد طبیعی به ازای هر عدد خود یک عدد یک دارد. والبته بودن یا نبودن مصداق برای مفاهیم عام با فلسفه محض است و نه با ریاضیات چنان‌که بودن یا نبودن عدد و مقدار با فلسفه است و نه با ریاضی.

اشتباه بودن اصل موضوع اقلیدس در زمینه ریاضیات مورد بحث بود، تا این که ریچارد ددکیند تعریفی از مفهوم بینهایت ارائه داد. ددکیند هر چیزی را که اصل موضوع اقلیدس برای آن صادق نباشد، بینهایت نامید. پس طبق تعریف ددکیند، بینهایت هر چیزی است که با جزئی از خود هم‌اندازه باشد.

این، شاید اولین تعریف از بینهایت در زمینه نظریه مجموعه باشد. ددکیند مجموعه‌ای را که بینهایت عضو داشته باشد، نامتناهی نامید. پس طبق این تعریف، یک مجموعه را نامتناهی گوییم هرگاه با یک زیرمجموعه سره از خودش هم‌اندازه باشد. مجموعه متناهی، مجموعه‌ایست که نامتناهی نباشد.

در اواخر قرن نوزده، گئورگ کانتور به‌طور رسمی نظریه مجموعه را ارائه داد. براساس نظریه کانتور، مجموعه A را k عضوی گوییم (${\displaystyle k\in \mathbb {N} }$) هرگاه یک تناظر یک به یک بین A و مجموعه ${\displaystyle \{1,2,\cdots ,k\}}$ وجود داشته باشد. مجموعه متناهی مجموعه‌ایست که یا تهی باشد یا (به ازای یک ${\displaystyle k\in \mathbb {N} }$،) k عضوی باشد؛ و بالاخره مجموعه نامتناهی مجموعه‌ایست که متناهی نباشد.

به عبارت دیگر، طبق تعریف کانتور، بی‌نهایت هر چیزی است که نتوان آن را شمرد.

نکتهٔ قابل توجه این است که تعریف‌های ددکیند و کانتور از مفهوم بی‌نهایت با هم معادل‌اند؛ به عبارت دیگر، می‌توان نشان داد که یک مجموعه نامتناهی است اگر و تنها اگر با یک زیرمجموعهٔ سره از خودش هم‌اندازه باشد.

کانتور به جای دید سنتی در مورد بی‌نهایت‌ها سعی کرد تا از طریق تناظر یک به یک آن‌ها را با هم مقایسه نماید. برای سادگی درک آنچه کانتور انجام داد به مثال زیر توجه فرمایید:

فرض کنیم یک جعبه سیب و یک جعبه پرتقال داریم. در کدام جعبه میوهٔ بیشتری وجود دارد؟

یک روش شمردن میوه‌های یک جعبه و سپس شمردن میوه‌های جعبه دیگر است و سپس مقایسه دو عدد. اما در مورد بی‌نهایت‌ها هرگز کار ما با جعبهٔ اول تمام نمی‌شود تا به سراغ جعبهٔ دوم برویم.

روش کانتور تناظر یک به یک بود یعنی به ازای برداشتن یک سیب از جعبه اول هم‌زمان یک پرتقال از جعبه دوم بر میداشت. در این صورت هرگاه محتویات یک جعبه تمام می شد در حالیکه محتویات جعبه دوم هنوز تمام نشده بود این نتیجه‌گیری می شد که جعبه دوم تعداد بیشتری میوه داشته‌است.

این روش در مقایسهٔ بی‌نهایت‌ها ممکن بود و کانتور با استفاده از آن ثابت نمود مجموعه اعداد طبیعی با مجموعه اعداد صحیح و اعداد گویا به یک میزان بینهایت هستند ولی به عنوان مثال از طریق استدلال قطری کانتور نشان داد فقط فاصلهٔ صفر تا یک در اعداد حقیقی با تمامی اعداد طبیعی نیز پوشش داده نخواهد شد پس بینهایت اعداد حقیقی از بی‌نهایت اعداد طبیعی بزرگتر است.