Euklid Axiom 8
Das Ganze ist größer als der Teil2)
... aufgehoben durch einfaches "hinüberzählen"
ins Unendliche?
Zitiert nach: Euklid (dt.
1969). Die Elemente. Buch I-XIII. Hrsg. u. übersetzt von C. Thaer.
Darmstadt: WBG, S. 3
von Rudolf Sponsel, Erlangen
Einführung.
Euklids Axiom 8: Das Ganze ist größer als der Teil,
erscheint unmittelbar plausibel und einsichtig, so wie man sich Axiome
wünscht und wie sie auch sein sollen. Die Aufhebung dieses Euklidschen
Axioms durch die Mathematik des Unendlichen
- und damit besonders der Mengenlehre - wurde nach Weyl
bereits von Galilei und Leibniz bemerkt. Doch seit
die Mengenlehre ihren Siegeszug durch die Mathematik angetreten hat, ist
offenbar fast jede Absurdität hoffähig geworden und Sophistik
und Rabulistik erleben mit diesem neuen Mathematikzweig eine ungeahnte
Renaissance. Es scheint ein neues Abrakadabra-Axiom zu gelten, nämlich:
Alles
ist möglich, wenn wir es nur entsprechend einrichten, zumindest
im neuen - von Cantor
geschaffenen Paradies [Hilbert]
"des" Unendlichen -
aus Sicht des gesunden Menschenverstandes, natürlicher Logik und Intuition
aber doch eher eine Hölle mentaler Grausamkeiten und eine Folterstätte
der Vernunft. Warum? Nun, wenn die Mathematik sich so einrichtet, daß
das Zählen und der Anzahlbegriff, also
allgemeine Kultur-, Wissenschafts-, Gesellschafts- und praktische Alltagsgüter
betroffen sind, so geht das alle an. Wenn Eltern, PädagogInnen und
LehrerInnen ihren Kindern und SchülerInnen erzählen müssen,
daß es genau so viele gerade wie ganze oder rationale Zahlen gibt,
wird womöglich eine ganze Menge Kopfschütteln, Demotivation,
Konfusion und Abneigung erzeugt.
Was ist geschehen?
Vereinfacht gesagt zerfällt die Mathematik seit Cantor in zwei Teile, in der unterschiedliche und miteinander unverträgliche Definitionen, Axiome, Regeln und Sätze gelten, nämlich in die Mathematik des Endlichen und die Mathematik des Unendlichen, in der alles ein wenig ganz anders ist.
Das Drama beginnt mit der Definition
des Unendlichen. Cantor
(1878) und Dedekind (1887) haben folgende Definition des Unendlichen
gegeben, nämlich:
Definition
unendliche Menge: Eine unendliche Menge M liegt genau dann vor,
wenn es eine eindeutige und umkehrbare Abbildung auf eine echte Teilmenge
T von M gibt.
Kommentar: Diese Definition hebt Euklid 8 auf, indem sie eine Äquivalenz zwischen Teil und Ganzem postuliert. |
Abb. Beispiele für eindeutig umkehrbare (bijektive) Abbildungen im Verständnis der Cantor-Mathematik
Ohne Zweifel sind nun z. B. die geraden Zahlen eine echte Teilmenge
der natürlichen Zahlen. Und ohne Zweifel kann man im Endlichen
eine bijektive Zuordnung wie in der Abbildung dargestellt auch durchführen.
Doch woher wissen wir, daß dies auch unendlich lange,
im
Unendlichen oder gar noch darüber hinaus durch
"einfaches hinüberzählen"
(Hilbert) geht? Tatsächlich geht es natürlich nicht, weil die
Menschen und die Erde längst vergangen sein werden, wenn "das" Unendliche
immer noch angezählt wird. Nun, man könnte sich
wohl einigen, daß man sich eine solche Zuordnung potentiell
unendlich lange fortgesetzt denken kann. Die neue Mengenlehre-Mathematik
denkt sich aber eine solche unendlich lange Zuordnung nicht nur potentiell,
sie denkt das Unendliche in einem Widerspruch (1,2)
in sich zu Ende, stellt sich also vor, daß solche unendlichen
Mengen abgeschlossen sind und daher als fertiges Ganzes gedacht werden
können. Ein Preis, den diese Art Denken kostet,
besteht darin, daß aus den definitorischen Gewaltakten der Mengenlehre
Cantors absurde Resultate und eine zwiegespaltene Mathematik in Kauf zu
nehmen sind. Wie im Ergebnis unten mitgeteilt wird,
ist die zu Ende gedachte unendliche Menge nur über ein Axiom "sicherbar".
Es handelt sich auch keineswegs um Entdeckungen, sondern in den Grundlagen
um
bloße Konventionen,
Übereinkünfte und definitorische
Beschlüsse (Ziehen), auf deren Basis dann allerdings wieder zahlreiche
neue - und viele absurde - Resultate entwickelt wurden und werden.
_
Definition Gleichmächtigkeit im Endlichen: Zwei Mengen heißen im Endlichen gleichmächtig, wenn sie die gleiche Anzahl Elemente haben. (Quelle, S. 172). Beispiel: Die Mengen {a,b,c} sind der Menge {Hans, Tisch, 5} gleichmächtig. Ihre Mächtigkeit oder Kardinalzahl beträgt 3. |
Definition
Gleichmächtigkeit im Unendlichen: "Zwei Mengen A und B heißen
gleichmächtig (A~B), wenn es eine bijektive Abbildung f: A -> B gibt,
wenn man also eine eineindeutige Zuordnung der Elemente von A zu den Elementen
von B finden kann." (Quelle,
S. 172). Beispiel:
Die Mengen {1,2,3, ...} und {2,4,6, ...} können bis in alle Unendlichkeit nach Übereinkunft und Festlegung als gleichmächtig definiert werden. Historische Anmerkung: Die Gleichmächtigkeit aufgrund bijektiver Zuordnung unendlicher Mengen bestreitet schon Bolzano (Paradoxien des Unendlichen, § 21f):
|
Definition Kardinalzahl im Endlichen: Die Anzahl der Elemente einer endlichen Menge nennt man ihre Kardinalzahl oder Mächtigkeit. (Quelle, S. 221). Beispiel: Die Mengen {a,b,c} sind der Menge {Hans, Tisch, 5} gleichmächtig. Ihre Mächtigkeit oder Kardinalzahl beträgt 3. |
Definition Kardinalzahl im Unendlichen: "Zwei beliebige Mengen A und B (endlich oder unendlich) sind gleichmächtig, wenn eine bijektive Abbildung von A auf B existiert. Klassen gleichmächtiger Mengen kennzeichnet man dann durch ihre Mächtigkeit oder Kardinalzahl." (Quelle, S. 221). Nach diesen Definitionen ergibt sich dann, daß die geraden (2,4,6, ... ), ungeraden (1,3,5, ... ) und die natürlichen Zahlen (1,2,3,4,5,6 ... ) wie die ganzen (... -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, ... ) oder rationalen Zahlen (alle Bruchzahlen) gleichmächtig sind und damit die gleiche Anzahl haben. |
Definition abzählbar: Eine Menge heißt abzählbar-unendlich, wenn sie gleichmächtig zur Menge der natürlichen Zahlen ist. Solche Mengen heißen auch numerierbar. |
_
Einfaches "Hinüberzählen"
Was genau wird gemacht und vorausgesetzt beim einfachen "hinüberzählen"?
Von einem richtigen mathematischen oder logischen Beweis verlangt man, daß er lückenlos, Schritt für Schritt genau begründet werden kann. Es müssen die Begriffe, also die Definitionen ebenso klar sein wie die Voraussetzungen und zulässigen Regeln. Die MathematikerInnen müssen uns also z.B. bei den natürlichen Zahlen lückenlos begründen können, wie sie zu der Vorstellung und zu dem Begriff einer zu Ende gedachten unendlichen Menge gelangen. Hier können sie keine andere Antwort liefern als: man kann es denken, und das ist ohne Zweifel richtig: man kann es denken (Existenzbeweis: sie tun es, wie man ihren Reden und Schriften entnehmen kann). Aber man kann auch einen schwarzen Schimmel denken oder einen eckigen Kreis. Man kann vieles und viel Fragwürdiges, Falsches und auch Widerspruchsvolles denken. Der sicherlich richtige Existenzbeweis man kann es denken reicht also nicht.
Obwohl es allenthalben heißt, die Gesetze im Endlichen und Unendlichen
seien ganz andere und was in dem einen gelte, müsse nicht im anderen
gelten, was an sich schon sehr fragwürdig, weil nicht notwendig, sondern
willkürlich so eingerichtet ist (Weyl,
Wittgenstein,
Ziehen),
heißt es andererseits wieder, daß das Unendliche seine Fundierung
im Endlichen habe und nur eine Fortsetzung des Endlichen sei. So führt
z.B. Hilbert zur Idee des "einfachen Hinüberzählens" in seiner
Arbeit Über
das Unendliche (1926) aus:
Aus Hilbert Über das Unendliche (fett-kursiv von RS) [1] "Wenn wir 1,2,3, ... gezählt haben, so können
wir vielmehr die so abgezählten Gegenstände als eine in dieser
bestimmten Anordnung fertige unendliche Menge ansehen; bezeichnen wir diese
Anordnung, wie Cantor es tut, ihrem Typus nach mit omega, so setzt sich
das Abzählen naturgemäß fort mit omega+1, omega+2, ...,
bis omega+omega ..." (S.
168).
[2] "Dies sind die ersten transfiniten Zahlen Cantors, die Zahlen der zweiten Zahlklasse, wie Cantor sie nennt. Zu ihnen gelangen wir also einfach durch ein Hinüberzählen über das gewöhnliche abzählbare Unendlich, d.h. durch eine ganz naturgemäße und eindeutig bestimmte, konsequente Fortsetzung des gewöhnlichen Zählens im Endlichen." (S 169). [3] "Bei der eben geschilderten Beweisführung habe ich die Theorie
der Zahlen der zweiten Zahlklasse im wesentlichen vorausgesetzt. Die Zahlen
der zweiten Zahlklasse wurden von mir schlechthin als Resultat des
Hinüberzählens über das abzählbare Unendlich eingeführt,
und dann wurde später die Individualaussage N 'Zahl der zweiten Zahlklasse
sein' durch Angabe der Axiome gekennzeichnet. Aber diese Axiome geben nur
den allgemeinen Rahmen für eine Theorie. Zur genaueren Begründung
derselben ist es nötig, zu ermitteln, wie der Prozeß des
Hinüberzählens über das abzählbare Unendlich
zu formalisieren ist. Dies geschieht, indem der Prozeß des
Hinüberzählens auf eine Folge angewandt wird ; diese Folge kann
nur durch eine gewöhnliche Rekursion gegeben sein, und zu
diesen Rekursionen sind wieder gewisse Typen notwendig. Dieser Umstand
bietet scheinbar eine Schwierigkeit, aber in Wahrheit zeigt es sich, daß
gerade durch diese Überlegung das Entsprechen zwischen den Zahlen
der zweiten Zahlklassen und den Funktionen einer Zahlenvariablen zu einem
weit engeren gemacht werden kann. Es werden nämlich die Variablentypen,
die wir zur Herstellung der Zahlen der zweiten Zahlklasse brauchen, dadurch
gewonnen, daß wir formal in unseren bisherigen definierenden Typenaussagen
das Zeichen Z an einer oder mehreren Stellen durch das Zeichen N ersetzen.
Die so entstehenden Variablentypen wollen wir N-Typen nennen; wie ersichtlich
ist, haben entsprechende Z- und N-Typen dieselbe Höhe. Wir brauchen
nun nicht der einen vorliegenden Zahl der zweiten Zahlklasse die sämtlichen
Funktionen derselben Höhe zuzuordnen, sondern können die Zahlen
der zweiten Zahlklasse und die Funktionen sich nach der Höhe der zu
ihrer Definition nötigen Variablentypen einander entsprechen lassen.
Des genaueren stellt sich diese Zuordnung folgendermaßen dar:
[4] "Zuletzt wollen wir wieder unseres eigentlichen Themas gedenken
und über das Unendliche das Fazit aus allen unseren Überlegungen
ziehen: Das Gesamtergebnis ist dann: das Unendliche findet sich nirgends
realisiert; es ist weder in der Natur vorhanden, noch als Grundlage
in unserem
|
Wo zeigt
Hilbert die Sicherung des Unendlichen durch das Endliche ?
Obwohl nach [4] das Unendliche sich nirgends realisiert findet und
es weder in der Natur vorhanden "noch als Grundlage in unserem verstandesmäßigen
Denken zulässig" sein soll, gibt es das verstandesmäßig
unzulässige Unendliche also andererseits doch? Ja nicht nur das: "Das
Operieren mit dem Unendlichen kann nur durch das Endliche gesichert werden."
Aber wo hat Hilbert diese Sicherung durch das Endliche gezeigt? Wenn dieses
Unendliche für das verstandesmäßige Denken gar nicht zulässig
sein soll, wie kann er dann [1] sagen: "Wenn wir 1,2,3, ... gezählt
haben, ..."? Wie kommt er denn ans Ende? Wie kommt er zum "...
haben" ? Hilbert zeigt nirgendwo, was die eigentliche Grundaufgabe
wäre, wie er 1,2,3, ... zählt. Halten wir
fest: Auch einer der größten Mathematiker aller Zeiten kann
eines nicht: 1,2,3, ... zu Ende zählen - weil es niemand kann.
Wie wäre also seine Aussage "Wenn wir 1,2,3, ... gezählt
haben,
..." zu retten? Es gäbe nur einen sophistischen
Ausweg, das "Wenn" als konditionale Bedingung zu deuten,
was er aber ziemlich sicher nicht so gemeint haben dürfte, sonst hätte
er formuliert: "Wenn wir 1,2,3, ... gezählt haben würden
oder
könnten, ...". Auch Hilbert kann nicht zu Ende zählen,
weil es keine größte oder letzte natürliche Zahl gibt.
Ich gelange zu dem
Bereits die Definition der unendlichen
Menge verletzt das "geheiligte Axiom 'totum parte majus'" (Hausdorff
1914). Die Existenz einer zu Ende gedachten unendlichen Menge - was auch
als aktuale unendliche Menge bezeichnet wird - kann nur per Axiom,
also aufgrund eine Beschlusses und einer Konvention "gesichert" werden.
Dies erscheint insofern äußerst problematisch, weil diese Auffassung
auch unter den MathematikerInnen strittig ist, darunter kein Geringerer
als Gauss und andere bedeutende
Mathematiker, Konstruktivisten
und (Halb)-Intuitionisten
(Materialien). Der Jahrtausende
gültige und plausible Zähl- und Anzahlbegriff wird aufgehoben.
Der Übergang und die Interpretation der Gleichmächtigkeit als
Anzahl führt zu Widersprüchen in den Aussagen zu
den Größenverhältnissen
der verschiedenen Zahlenbereiche, was Ziehen
schon 1917 (S. 63) feststellte
und von Fraenkel (1923, S. 160) unzulänglich erfaßt, zitiert
und daher auch nicht entkräftet werden konnte. Im übrigen folgt
aus gleich viel nicht wie viel. Zählen
ist wesentlich an wie viel und nicht so sehr an gleich
viel interessiert. Das leistet der Gleichmächtigkeitsbegriff
nicht. Der Schluß von der Gleichmächtigkeit auf die gleiche
Anzahl und noch mehr auf die genaue Anzahl ist ein Sprung, bedeutet damit
eine Beweislücke, er ist daher unzulänglich und falsch (Hilberts
Traum und Trauma scheinen noch nicht erledigt).
Ich fürchte, die Absurditäten sind der weit überwiegenden Zahl von Nicht-MathematikerInnen, AnwenderInnen und KundInnen der Mathematik kaum zu vermitteln, aber - das Gute am Schlechten - vermutlich ist das auch nicht nötig, weil es den meisten gleichgültig sein dürfte. Nicht ausschließen möchte ich aber auch, daß meine Bedenken als mathematischer Laie falsch oder übertrieben sind und eine bessere Mathematik-Didaktik und bessere Mathematik-Vermittlung für mehr und besseres Verständnis sorgen könnte. |
Ergänzung:
Links oder rechts offen (26.01.2014)
Gelegentlich ergänzende Überlegungen führten zu der
Frage des Begriffs eines Ganzen oder einer Menge. Wie kann eine Zahlenfolge,
die links ..., -3, -2, -1, 0}, rechts {0, 1,2,3, ... oder sogar an
beiden Seiten offen ... -1, 0, 1 ... ist zu einem Ganzen, zu einer Menge
zusammengefasst werden? Man könnte natürlich auch noch ein Dazwischen
bei den rationalen oder reellen Zahlen einführen, ich will es aber
erst mal dabei belassen. Ein Ganzes bedeutet intuitiv etwas Begrenztes,
Abgeschlossenes.
Die Argumentation nach der Bedeutung Teil und Ganzes
wurde ergänzt durch das weitere Argument des links oder rechts Offenen
bei Zahlenfolgen: etwas links oder rechts Offenes kann kein Ganzes, keine
Zusammenfassung zu einer Menge, sein. Ein Ganzes ist begrenzt und abgeschlossen.
___
definitorische
Beschlüsse (Ziehen). Daß die Mengenlehre vielfach lediglich
auf neuen Definitionen, Übereinkünften und Konventionen beruht,
bemerkte schon ein früher Kritiker: Ziehen, Theodor (1917). Das Verhältnis
der Logik zur Mengenlehre. Philosophische Vorträge veröffentlicht
von der Kantgesellschaft, Nr. 16. Berlin: Reuther & Reichard. S.13
:
Anmerkung: Die Seite setzt fort: "bekannten Literatur scheint mir noch
die Hausdorffsche zu sein:
'eine Menge ist eine Zusammenfassung von Dingen zu einem Ganzen, d.h.
zu einem neuen Ding."
Ziehens Arbeit wird, wenn sich die Rechte klären lassen und wir
sie erhalten, hier vollständig
präsentiert.
___
existiert. Ein unklarer und problematischer
Grundbegriff der Mathematik, nach dem auch eine Beweisart
benannt ist: der Existenzbeweis. Unklar und problematisch deshalb, weil
durch Definitionen und Axiome Existenzen entweder direkt oder indirekt
und verwickelt über zugrundeliegende Definitionen
und Axiome definiert und postuliert werden. Existenzen können also
definiert (Definition), postuliert (Axiom) oder abgeleitet und gezeigt
werden (Satz), wobei auch noch die Ableitungsregeln und die zugelassene
Logik zu berücksichtigen sind. In der wissenschaftstheoretischen Literatur
gibt es bislang kein System, das einen Begründungspfad zu dokumentieren
gestattet (ein Modell hat Wittgenstein in seinem Tractatus
ansatzweise angedeutet). Erschwert wird ein solches System dadurch, daß
mehrere möglich sind. Bei vielen Beweisen weiß man überhaupt
nicht, ob sie zirkelfrei frei sind, weil gar nicht klar ist, was alles
vorausgesetzt und benutzt wird.
___
eckigen Kreis. In Erlangen gab
es in den 1970er-80er Jahren eine Künstlergruppe, die sich "Eckiger
Kreis" nannte.
___
Omega. Betrachtet man die natürlichen
Zahlen in ihrer natürlichen Ordnung, so wird ihrer Gesamtheit die
Ordnungszahl (Ordinalzahl) Omega zugeordnet. Sieht man von der Ordnung
ab und betrachtet nur die Anzahl, spricht man von der Kardinalzahl, hier
Aleph0. {1, 2, 3, ...., n, .... } := Omega mit der Anzahl Aleph0. Omega
und Aleph0 sind Namen für das gedachte Ende der unendlichen natürlichen
Zahlen.
___
Tractatus. Auf der ersten Seite schreibt
Wittgenstein in Fußnote 1: "Die Dezimalzahlen als Nummern der einzelnen
Sätze deuten das logische Gewicht der Sätze an, den Nachdruck,
der auf ihnen in meiner Darstellung liegt. Die Sätze n.1, n.2, n.3,
etc., sind Bemerkungen zum Satz No.n; die Sätze n.m.1, n.m.2, etc.
Bemerkungen zum Satze No.n.m und so weiter." Hier zitiert nach: Wittgenstein,
Ludwig (dt. 1921f; 1960). Schriften. Tractatus-logicus-philosophicus. Frankfurt
a. M.: Suhrkamp, S. 11. [Fertig gestellt 1918, erstmals veröffentlicht
1921 in Ostwalds letztem Band der Annalen der Naturphilosophie].
___
Hilberts Traum und Trauma.
Hilberts Traum war die absolute und unbezweifelbare Sicherung des mathematischen
Wissens. Und sein hier so genanntes Trauma beschreibt er in 'Über
das Unendliche' (S.179
unten): "Und was wir zweimal erlebt haben, einmal als es sich um die
Paradoxien der Infinitesimalrechnung und dann um die Paradoxien der Mengenlehre
handelte, das kann nicht zum dritten Male und wird nie wieder passieren."
Damit aber kein falscher Eindruck aufkommt: Trotz allem meine ich, stimmte
der Rest der Welt so wie die Mathematik, lebten wir vermutlich schon in
einem Halbparadies.
___
Leibniz. Siehe auch Kaufmann,
Felix (1930, S. 140). Kaufmann geht ausführlich auf die Paradoxie
ein, dass das Ganze nicht mehr grösser als eines seiner Teile sein
soll. Er argumentiert scharfsinnig gegen eine aktual unendliche Menge und
weist auch das Cantor'sche Diagonalverfahren zurück (S. 149 ff).
___
Suchen in der IP-GIPT,
z.B. mit Hilfe von "google": <suchbegriff>
site:www.sgipt.org
z.B. Mathematik site:www.sgipt.org. |
kontrolliert: irs 25.12.05