Spielereien mit abzählbar-unendlichen Mengen: Hilbert-Hotel

Rainer

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Naja, das ist schon alles klar. Es geht ja um die Menge der Zahlen. Und da sehe ich keinen Unterschied zwischen den reellen und deren Spiegelbild, denn wir betrachten ja nur endliche Ziffernfolgen. Daher ist der Lines → ∞ eben nur ein Limes, wird aber nie erreicht, sondern nur asymptotisch.

Es ist ein bisschen widersprüchlich, von endlichen Ziffernreihen zu sprechen, die unendlich lang sind.
Die Bezeichnung ist ja abzählbar, und da spielt es keine Rolle, ob vor oder hinter dem Komma.
 

TomS

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@Rainer – suche dir mal explizite Beweise für die Abzählbarkeit von Q und die Überabzählbarkeit von (0,1) als Teilmenge von R; dann gehe beide Beweise Schritt für Schritt durch und versuche sie auf deine Vorkommastellen zu übertragen; du wirst die Unterschiede sehen, insbs. warum beide Beweise für die Vorkommastellen scheitern.
 
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ralfkannenberg

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Naja, das ist schon alles klar. Es geht ja um die Menge der Zahlen. Und da sehe ich keinen Unterschied zwischen den reellen und deren Spiegelbild, denn wir betrachten ja nur endliche Ziffernfolgen. Daher ist der Lines → ∞ eben nur ein Limes, wird aber nie erreicht, sondern nur asymptotisch.
Hallo Rainer,

nicht unbedingt: die Summe 0.3+0.03+0.003+... hat auch unendlich viele von 0 verschiedene Nachkommastellen, wird aber trotzdem "erreicht", denn es handelt sich ja um die wohldefinierte Zahl 1/3.

Bei der geometrischen Reihe für die Zahl 1/2, also 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ... muss man ein bisschen mehr überlegen, aber auch sie führt zu einer wohldefinierten Zahl, nämlich der 1, einfach in der Folge (1-1/2, 1-1/4=3/4, 1-1/8=7/8, 1-1/16=15/16 ...).

Und bei der Reihe, welche die Euler'sche Zahl e definiert, muss man sich eben etwas mehr überlegen, aber diese Reihe ist absolut konvergent, die ersten beiden Glieder sind gleich 1 und die übrigen kleiner gleich einem Glied der geometrischen Reihe für die Zahl 1/2, d.h. diese Reihe konvergiert - und zwar eindeutig, d.h. sie existiert und man nennt den Grenzwert "e".

Was ich sagen will: auch wenn diese drei Reihen wenn man sie so definiert "nur" asymptotisch ihren jeweiligen Grenzwert erreichen, so existieren sie. Niemand hat Zweifel, dass die Zahl 1/3 existiert und wohldefiniert ist, niemand hat Zweifel, dass die Zahl 1 existiert und wohldefiniert ist; bei der Euler'schen Zahl e mag das etwas weniger "straight forward" sein, aber die Methoden sind dieselben, d.h. diese Zahl existiert auch und ist wohldefiniert.

Vielleicht sollte man es so formulieren: alle diese Zahlen existieren und sind wohldefiniert ! - Aber wenn man die betrachteten Definitionen verwendet, dann erreicht man sie "nur" asymptotisch. Das ist vielleicht auch der Grund, warum man Mathematikstudentinnen und Mathematikstudenten in ihrem 1.Semester damit quält, damit sie nicht nur (auswendig) lernen, sondern eben auch verstehen, wie wichtig dieser Konvergenzbegriff in der Mathematik ist.


Es ist ein bisschen widersprüchlich, von endlichen Ziffernreihen zu sprechen, die unendlich lang sind.
Das habe ich (hoffentlich) nie geschrieben; es handelt sich um konvergente Folgen endlicher Ziffernreihen. Bzw. bei Deiner Idee mit den Vorkommastellen eben um eine divergente Folge endlicher Ziffernreihen.

Aber jede dieser endlichen Ziffernreihen ist wohldefiniert !

Die Bezeichnung ist ja abzählbar, und da spielt es keine Rolle, ob vor oder hinter dem Komma.
Hier muss ich mich vielleicht an der eigenen Nase fassen: wenn in diesem Zusammenhang von "abzählbar" die Rede ist, dann ist "abzählbar unendlich" gemeint. Endliche Mengen sind trivialerweise im umgangssprachlichen Sinne abzählbar, denn man kann eine Bijektion einer solchen Menge in die Teilmenge der natürlichen Zahlen {1} oder {1, 2} oder {1, 2, 3} oder {1, 2, 3, 4} oder {1, 2, 3, ..., n} finden, und die grösste Zahl dieser Teilmenge der natürlichen Zahl gibt die Anzahl der Elemente dieser Menge an.


Vorsicht noch: ich habe oben geschrieben, dass diese Reihen konvergieren und wohldefiniert sind. Die alternierende harmonische Reihe beispielsweise konvergiert auch, aber hier ist der Grenzwert von der Reihenfolge der Reihenglieder abhängig. Wenn man sie also anders anordnet kann ein anderes Ergebnis herauskommen. Dieser Effekt tritt bei Reihen auf, die zwar konvergent, nicht aber absolut-konvergent sind.


Freundliche Grüsse, Ralf


P.S. wenn ich kursive oder fette Schrifttypen verwende heisst das bitte nicht, dass ich DIch irgendwie anschreie, sondern es dient einfach der besseren Verständlichkeit und Betonung oder Zusammenfassung meiner Aussagen.
 
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ralfkannenberg

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@Rainer – suche dir mal explizite Beweise für die Abzählbarkeit von Q und die Überabzählbarkeit von (0,1) als Teilmenge von R; dann gehe beide Beweise Schritt für Schritt durch und versuche sie auf deine Vorkommastellen zu übertragen;
Hallo Tom,

natürlich kann ich nur aus meiner eigenen Erfahrung berichten. Ich habe aber die Erfahrung gemacht, dass - zum Teil noch zu Schulzeiten - ich gewisse Beweise wie die Irrationalität der Quadratwurzel 2 oder eben auch den Cantor'schen Diagonalbeweis zwar Schritt für Schritt verstanden habe, am Ende aber stand da "q.e.d.", aber ich hatte keine Ahnung, warum der Beweis "schon" fertig war.

Ja in der Klassenarbeit konnte ich den Beweis auswendig vorrezitieren und bekam als einziger der Klasse die volle Punktzahl, nur - und das war mir damals schon bewusst: verstanden hatte ich ihn nicht.

Schon im Studium angekommen habe ich ausgerechnet beim Kajakfahren mich gelangweilt und bin - ohne Notizen - nochmals den Beweis der Irrationalität der Quadratwurzel von 2 vor meinem geistigen Auge durchgegangen, ich konnte ihn ja auswendig. Die Kajakfahrt ging noch lange und dann hatte ich die Idee, den Beweis vor meinem geistigen Auge für die Quadratwurzel von 3 zu führen. - Analoge Sache - statt "gerade" musst eman "durch 3 teilbar" verwenden; formal war er auch für die Quadratwurzel von 3 bewiesen, aber wirklich verstanden hatte ich ihn immer noch nicht.

Dann hatte ich die Idee, den Beweis für die Quadratwurzel von 4 zu führen - das darf ja irgendwo nicht klappen, denn die Quadratwurzel von 4 ist mit der 2 ja keine irrationale Zahl. Und als ich diese Stelle - immer noch vor meinem geistigen Auge - gefunden habe, warum der Beweis für die Quadratwurzel von 4 nicht klappt, war der "grosse Moment" in meinem Leben gekommen, in dem ich endlich die Idee dahinter verstanden habe. Da die Kajakfahrt noch lange ging habe ich es mir dann gegönnt, trotz einer gewissen Umständlichkeit ohne Papier und Bleistift den Beweis auch noch für die Quadratwurzel von 5 zu führen, obgleich mir da schon völlig klar war, dass das funktionieren wird. Als nur durchschnittlich begabte Person hatte ich im Studium diese Art Muße meistens nicht zumal wir da von Übung zu Übung und von Praktikum zu Praktikum durchgejagd wurden.

Was ich sagen will - manchmal braucht es eine gewisse Muße, um einen Sachverhalt nicht nur Schritt für Schritt, sondern eben auch gesamthaft zu verstehen.

Obgleich ich den Beweis bereits geführt habe werde ich ihn im folgenden für Rainer nochmals explizit ausführen, nämlich die Abzählbarkeit der rationalen Zahlen. Als quasi-Höhepunkt werde ich danach zeigen, dass auch die algebraischen Zahlen abzählbar sind.

Dies aber Stück für Stück.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

TomS

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In dem Fall ist es ganz einfach. Siehe z.B.
Beweis der Überabzählbarkeit der reellen Zahlen
Sei (zi) eine beliebige Folge reeller Zahlen im offenen Intervall (0,1). Wir werden zeigen, dass es mindestens eine reelle Zahl in diesem Intervall gibt, die nicht in der Folge (zi) vorkommt ...

Anwendung auf "Vorkommastellen"
  • alle Zahlen mit endlich vielen Vorkommastellen sind einfach normale und insbs. endliche natürliche Zahlen und daher trivialerweise abzählbar
  • Überabzählbarkeit kann also nur über unendlich viele Vorkommastellen ins Spiel kommen; analog zur Überabzählbarkeit des Intervalls Intervall (0,1) mit unendlich vielen Nachkommastellen
  • unendlich viele Vorkommastellen führen aber unmittelbar auf Unendlichkeiten; dies ist bei den Nachkommastellen nicht gegeben, daher geht der Beweis für die Vorkommastellen nicht analog zu dem der Nachkommastellen durch sondern bricht zusammen
 

Rainer

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  • Überabzählbarkeit kann also nur über unendlich viele Vorkommastellen ins Spiel kommen; analog zur Überabzählbarkeit des Intervalls Intervall (0,1) mit unendlich vielen Nachkommastellen
  • unendlich viele Vorkommastellen führen aber unmittelbar auf Unendlichkeiten; dies ist bei den Nachkommastellen nicht gegeben, daher geht der Beweis für die Vorkommastellen nicht analog zu dem der Nachkommastellen durch sondern bricht zusammen
Das trifft den Punkt, doch sagt dies nichts darüber aus, ob diese Unendlichkeiten nicht gesondert zu zählen sind, nur weil sie durch das einheitliche Symbol ∞ für DIE Grenzwerte gekennzeichnet werden.
Der Vergleich von 1/0 und 2/0 ist gar nicht erlaubt! Beides ergibt ∞, aber es ist nicht (unbedingt) dasselbe.
 
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TomS

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Das trifft den Punkt …
Danke.

… doch sagt dies nichts darüber aus, ob diese Unendlichkeiten nicht gesondert zu zählen sind …
Stimmt.

Es sagt dazu nichts aus, weil noch nicht mal klar ist, wie du diese "Zahlen" die du zählen möchtest, formal und widerspruchsfrei definierst. Erst wenn du das erledigt hast, kannst du derartige Fragen stellen. Endliche Ziffernfolgen hinzuschreiben reicht nicht.

Die Aufgabe besteht also nicht darin, die von dir erdachten Objekte zu zählen, sondern sie zu definieren.

(ich denke übrigens, dass es eine geeignete Definition gibt, möchte aber nicht vorgreifen)
 
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Rainer

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Es sagt dazu nichts aus, weil noch nicht mal klar ist, wie du diese "Zahlen" die du zählen möchtest, formal und widerspruchsfrei definierst
Doch habe ich: Spiegelbildliche Konstruktion. Nur weil es dafür keine Rechensymbole gibt, dafür bin ich nicht verantwortlich. Aber ich kann die Verantwortung gerne übernehmen:
$(π) ≠ $(e) ≠ $(1/3)
Dies definiere ich nun aber exakt spiegelbildlich, also $(45,789)=987,54

So wie es aussieht, ist exakt
ω = 9·$(0,1⁻...)
0,9⁻... → 1
ω → ∞
stört das irgendwie?

Dass Unendlichkeiten nicht identisch sind, ist in der Physik fast alltäglich, zB:
Jedes SL hat (mathematisch) eine Zentralsingularität. Aber das macht diese SL noch lange nicht gleich. Die Masse bleibt natürlich unterschiedlich, auch wenn man diese zwecks Dichtebestimmung durch V=0 teilen mag und dann einen Wert ∞ erhält. Die Addition von zwei derartigen Dichten bringt nicht viel, aber die Addition der Massen bleibt einfach und sinnvoll.
 
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ralfkannenberg

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Der Vergleich von 1/0 und 2/0 ist gar nicht erlaubt! Beides ergibt ∞, aber es ist nicht (unbedingt) dasselbe.
Hallo Rainer,

na dann bilden wir doch mal je eine Folge, die gegen 1/0 und gegen 2/0 "divergiert".

Folge 1: ( 1/1, 1/(1/2), 1/(1/3), 1/(1/4), 1/(1/5), ... ) -> "1/0"
Folge 2: ( 2/1, 2/(1/2), 2/(1/3), 2/(1/4), 2/(1/5), ... ) -> "2/0"

Nun bringen wir diese 2 im Zähler in den Nenner, dort wird sie zu 1/2, da 1/ (1/2) = 2 ist. - Sie bleibt dabei aber identisch dieselbe Folge:
Folge 2: ( 1/(1/2), 1/(1/4), 1/(1/6), 1/(1/8), 1/(1/10), ... ) -> "1/0"


Wir sehen, dass die Folge 2 nun auch gegen "1/0" divergiert, einfach nur ein bisschen schneller.


Natürlich kann man die Glieder beider Folgen auch etwas schöner "ausrechnen":

Folge 1: ( 1, 2, 3, 4, 5, ... )
Folge 2: ( 2, 4, 6, 8, 10, ... )

Und da die Folge 1 die Folge 2 als Teilfolge enthält divergieren sie gegen dasselbe.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

ralfkannenberg

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Doch habe ich: Spiegelbildliche Konstruktion. Nur weil es dafür keine Rechensymbole gibt, dafür bin ich nicht verantwortlich. Aber ich kann die Verantwortung gerne übernehmen:
$(π) ≠ $(e) ≠ $(1/3)
Hallo Rainer,

dem stimme ich nicht zu:

$(π), $(e) und $(1/3) sind Teilfolgen meiner Folge 1.
$(√2) wäre sogar eine Teilfolge meiner Folge 2 (welche eine Teilfolge meiner Folge 1 ist).


Freundliche Grüsse, Ralf
 

TomS

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Doch habe ich …
Nee, hast du nicht. Du hast nur eine Idee skizziert 😉

Nur weil es dafür keine Rechensymbole gibt …
Es ist viel mehr als das.

So wie es aussieht, ist exakt
ω = 9·$(0,1⁻...)
0,9⁻... → 1
ω → ∞
stört das irgendwie?
Es ist halt keine Definition sondern nur eine Idee.

So sähe eine Definition aus: https://math.uchicago.edu/~may/REU2020/REUPapers/Pomerantz.pdf

M.E. ist das tatsächlich eine formale Umsetzung deiner Idee.
 

ralfkannenberg

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So wie es aussieht, ist exakt
ω = 9·$(0,1⁻...)
0,9⁻... → 1
ω → ∞
stört das irgendwie?
Hallo Rainer,

das ist zunächst einmal eine Definition. Stillschweigend klammerst Du die "9" aus, aber ok, man kann einfach zeigen, dass das erlaubt ist.

Dass Unendlichkeiten nicht identisch sind, ist in der Physik fast alltäglich, zB:
Wie gesagt: die bisher betrachtenen Unendlichkeiten sind identisch, d.h.

"1/0", "2/0", $(π), $(e), $(1/3), $(√2), ω sind alles Teilfolgen meiner Folge 1 und divergieren auf dieselbe Weise gegen +oo.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

ralfkannenberg

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das ist doch klar, aber das ändert nichts daran, dass die Zahlenfolgen nicht identisch sind.
Hallo Rainer,

das war auch nicht Deine Aussage; Deine Aussage war, dass die unterschiedlichen Folgen auch gegen unterschiedliche "+ Unendlichkeiten" divergieren und dem habe ich widersprochen.

Wobei wir uns hier auf positive Zahlen beschränken, d.h. wir brauchen nicht zu überlegen, was -oo in diesem Kontext bedeutet, was der unendlich ferne Punkt bei einer Einpunkt-Kompaktifizierung ist u.s.w. - bei positiven Zahlen haben wir nur ein +oo, gegen welches alle diese Folgen divergieren.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Rainer

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auch gegen unterschiedliche "+ Unendlichkeiten" divergieren
Das war ein Missverständnis, bzw sagte ich, dass das, was hinter der Unendlichkeit steht, nicht dasselbe sein muss.
Jedendfalls ist es klar, dass man nicht mit Unendlich kürzen darf, also ist es nicht "dasselbe", auch wenn es "dieselbe" Unendlichkeit ist. Wenn es aber dasselbe ist, dann darf man (physikalisch) auch damit kürzen. Das macht man am Besten, solange noch die Variablensymbole dastehen, damit keine Verwechslungen unterlaufen.
 

ralfkannenberg

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Das war ein Missverständnis, bzw sagte ich, dass das, was hinter der Unendlichkeit steht, nicht dasselbe sein muss.
Hallo Rainer,

alle Deine Vorkomma-Folgen sind Teilfolgen der Folge (1, 2, 3, 4, 5, ...).

Da alle Prozesse abzählbar sind und wir ohne Einschränkung der Allgemeinheit nur Folgen mit positiven Folgengliedern betrachten sind die dahinterstehenden "Unendlichkeiten" dieselben.

Jedendfalls ist es klar, dass man nicht mit Unendlich kürzen darf, also ist es nicht "dasselbe", auch wenn es "dieselbe" Unendlichkeit ist.
Zwar habe ich mich bislang nicht darüber ausgelassen, ob und wenn ja wann man kürzen darf, aber zunächst einmal ist dem zuzustimmen. Im Übrigen darf man auch nicht so ohne weiteres mit Unendlichkeiten addieren oder subtrahieren - Ausdrücke wie "+oo" + "-oo" führen zur Willkür.

Wenn es aber dasselbe ist, dann darf man (physikalisch) auch damit kürzen. Das macht man am Besten, solange noch die Variablensymbole dastehen, damit keine Verwechslungen unterlaufen.
Wenn man in der Mathematik nicht damit kürzen darf, dann darf man es in der Physik auch nicht.

Was man indes tun kann: man betrachtet Folgen, die absolut konvergieren. Aber dann stellt sich das Problem nicht, dass man mit Unendlichkeiten operieren muss.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

ralfkannenberg

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was hältst du von meiner Idee, das mittels p-adischer Zahlen zu formalisieren?
Hallo Tom,

das ist eine "eigene" Welt, die mit der uns vertrauten Zahlenwelt nur noch wenig gemein hat. Sie ist soweit ich das beurteilen kann wohldefiniert und aus algebraischer Sicht zweifelsohne interessant. Ungewohnt ist, dass wir keine Körper mehr haben, dass wir Nullteiler haben, dass Primelemente anders aussehen, die Metriken sind anders, man benötigt keine negativen Zahlen mehr u.s.w.

Wenn sich dafür Anwendungen finden, warum nicht. Aber für "normale" Anwendungen sehe ich eigentlich wenig Bedarf, zudem ist diese Welt wie schon gesagt ungewohnt und entsprechend fehleranfällig, wenn man damit rechnen möchte.

Und betreffend Rainers Idee, verschiedene abzählbare Unendlichkeiten einführen zu wollen, bin ich der Meinung, dass das Resultat, dass eine Folge, die eine andere Folge als Teilfolge enthät, zum gleichen "Wert" divergiert, eigentlich ausreichend.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Rainer

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Da alle Prozesse abzählbar sind und wir ohne Einschränkung der Allgemeinheit nur Folgen mit positiven Folgengliedern betrachten sind die dahinterstehenden "Unendlichkeiten" dieselben.
Nein eigentlich nicht. Man denke nur an die Eichfreiheit des Nullpotentials. Ob das Potential unendlich ist, ist irrelevant, weil nur Differenzen zählen.
Der Wert dieser Unendlichkeiten ist für die meisten arithmetischen Operationen gleich ∞, aber nicht immer.

Und (a-b)/(a-b) ist in der Physik immer noch 1, auch wenn a-b=0
Wenn man da voreilig nur den Zähler oder nur den Nenner ausrechnet, bekommt man ganz andere Ergebnisse.
(ist mir beinah mal passiert, aber es musste ja 1 rauskommen, das war klar)

Ich will nur sagen, dass Unendlich nicht das Ende der Fahnenstange ist.

A = 2x³ → ∞
B = x⁴ → ∞
A/B = 2/x → 0 ... und selbst diese Null ist nicht wie jede Null. Nimm sie x Mal und Du erhältst 2 als Grenzwert.

Natürlich sind A und B im Unendlichen immer noch verschieden und wohldefiniert. Aus dem Zusammenhang gerissen gibt es dafür dann nur noch das einheitliche Symbol ∞.
 
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