集合的势是用来度量集合规模大小的属性的。
如果存在着从集合A到集合B的双射,那么称集合A与集合B等势,记为A~B。例:集合N={0,1,2…},N 2={0,2,4,...}定义映射:f:N→N2 ,f(n)=2n,f是从N到 N2的双射,从而N和N2 是等势的。
有很多集合都和全体正整数的集合等势,从而它们彼此也等势,称所有这样的集合为“可数无穷的(countably infinite)”。有很多无穷集合比全体正整数的集合的势更大,称所有这样的集合为不可数无穷的(uncountably infinite)。但是,不存在无穷集合的势比全体正整数的集合的势更小。
简单说来,势就是集合的元素的个数。一个集合有三个元素,就称其势为3。
集合的势也称集合的基数(cardinal number)是用来衡量集合元素数量的量。两个集合A,B等势当且仅当可以找到这两个集合之间的双射,即两集合的元素一一对应,通常记作|A|=|B|(或可写成A≈B)。集合A的基数小于等于集合B的基数当且仅当存在A到B的单射,记作|A|≤|B|。这两个定义的直观意义分别是他们的元素数量相同或更少。
但是注意,此意义下的基数还必须依附于集合上,这并不意味着每个集合都有它的基数(因为至今我们还没有说基数到底是什么,只是说明了该如何比较集合的大小),也不意味着每个集合都可比较大小(因为有些无限集合之间你不能随随便便找到满足条件的映射),如果不承认选择公理(Axiom of Choice),无法证明集合的基数大小具有三歧性(即对任意集合A,B总有|A|=|B|、|A|≤|B|或|A|≥|B|)。况且,通常情况下,如果没有合适的定义,我们通常只能拿基数衡量有限集,而无限集的基数我们就无法给个准确的表述了。对此必须对基数(势)下一个严格的定义,当然,你需要提前知道何为序数,见序数_百度百科。
一个序数κ是基数,当且仅当κ=inf{ β | β是序数 且 β≈κ }。换句话说,在所有相互等势的序数中,基数就是其中最小的那个。因此我们知道,所有基数都是序数。 当然我们也可以定义序数的基数:对任意序数α,|α|=inf{ β | β是序数 且 β≈α }。那么我们会有对任意序数α,|α|≤α。所以,由于我们知道自然数集N的序数是ω,那么N的基数也显然是ω(因为ω是最小的极限序数),但为了不致混淆,我们把N的基数记为ℵ₀。
基数也可以运算,对任意集合X和Y,对它们基数的运算有如下定义: (1)|X|+|Y|=|X∪Y|(X,Y不交);(2)|X|×|Y|=|X·Y|;(3)|X|^|Y|=|X^Y|(映射族)。
可见对于任意一个集合,只有先把它变成良序集,并找到它的序型,才能找到基数。而处理良序的操作必须使用选择公理,另外选择公理也可以让任意集合间构造映射。所以,只有承认选择公理,所有集合才有基数,并且任意集合见才可比较大小。
更多内容,详见刘壮虎的《素朴集合论》,赵郝宽 杨跃 的《集合论:对无穷概念的探索》,或Thomas Jech的《Set Theory》,网上都能搜到。