Tytułowe pytanie może brzmieć dosyć dziwnie. Płaszczyzna jest nieskończona,
więc i liter na niej możemy napisać nieskończenie wiele (dysponując,
jak to matematycy, nieskończonym czasem). Nie od dziś wiadomo jednak, że
nieskończoności są różne, jedne mniejsze, drugie większe.
Która z tych nieskończoności odpowiada na tytułowe pytanie? I czy zależy to od
litery, której ono dotyczy? Nad tym właśnie zastanowimy się w niniejszym
artykule.
Czytelnikom, którym obce jest rozróżnianie między nieskończonościami, polecamy
Deltowy wykład na ich temat autorstwa Michała Korcha, zwłaszcza odcinek
Nieskończoność
4. Nie każda jest taka sama,
Poniżej w pigułce prezentuję istotne dla nas wiadomości – dla tych, którzy
potrzebują jedynie krótkiego przypomnienia w tym zakresie.
Powiemy, że dwa zbiory są równoliczne, jeśli ich elementy można ,,połączyć w pary”, czyli jeśli istnieje między nimi bijekcja.
Równoliczne są zatem zbiory liczb naturalnych i liczb parzystych, a odpowiednia
bijekcja między tymi zbiorami to funkcja
Każdy zbiór, który jest równoliczny ze zbiorem liczb naturalnych, nosi nazwę
przeliczalnego. Przeliczalne są wszystkie nieskończone podzbiory
zbioru liczb naturalnych, jak również pewne jego
nadzbiory (np. zbiór liczb wymiernych). Przeliczalne są również zbiory par,
trójek, czwórek itp. elementów pochodzących ze zbioru przeliczalnego (np.
przeliczalny jest zbiór par liczb naturalnych, co mocno wiąże się
z przeliczalnością zbioru liczb wymiernych). Przykładem zbioru nieprzeliczalnego
jest zbiór liczb rzeczywistych, a nawet sam odcinek Jego ,,liczba
elementów” nosi nazwę
continuum; jest to również liczba punktów na płaszczyźnie czy
w przestrzeni.
Wracając do tytułowego problemu, zaznaczmy od razu, że nie chcemy, aby litery się
przecinały. Za przecinające się literki już w przedszkolu można było dostać
deszczową chmurkę zamiast uśmiechniętego słoneczka, czego oczywiście chcemy uniknąć. Weźmy na warsztat najprostszą w zapisie literę,
czyli . Czy na płaszczyźnie starczy miejsca na continuum egzemplarzy,
czy ,,tylko” przeliczalnie wiele?
Okazuje się, że specjalnie się nie rozpycha, i możemy upakować jej
continuum.
Wystarczy dla każdej liczby rzeczywistej narysować kreskę od punktu
do punktu Każda taka kreska (przyznajmy, zerowej grubości) może śmiało reprezentować literę
, i postawiliśmy ich continuum (rys. 1). Na więcej nie mamy co liczyć, gdyż na
płaszczyźnie jest tylko (aż?) continuum punktów.
To, co zadecydowało o sukcesie całej operacji, to możliwość przesuwania
w ustalonym kierunku tak, by żadna z przesuniętych wersji nie
zahaczała o pozostałe. To samo moglibyśmy wykonać w przypadku
(rys. 2), , czy
Dla każdej z tych liter możemy bowiem wskazać kierunek taki, że każda prosta
w tym kierunku przecina naszą literę co najwyżej raz. Niektórzy matematycy,
zwani topologami, mogliby w tym momencie uśmiechnąć się z politowaniem, ponieważ dla
nich wszystkie te litery są niejako tożsame z , gdyż są po prostu jej
powyginanymi wersjami, i wniosek co do liczności możliwych
do upchania egzemplarzy powinien być ten sam.
Cóż, gdyby, mając napisać na kartce , nabazgrali
, to od razu zobaczyliby w zeszycie burzowe chmurzysko, i mina by im zrzedła. My
będziemy staranni!
Można w tym momencie nabrać podejrzeń, że każdą literę możemy napisać na płaszczyźnie
continuum razy. Przyjrzyjmy się jednak literze .
Tutaj przesuwanie już nie zadziała –
niewielkie przesunięcia skutkują przecięciami, obojętnie w jakim kierunku
zostaną wykonane.
Możemy jednak powiększać tę literę niczym pompowany balonik.
Dostaniemy wówczas koncentryczne okręgi o różnych promieniach (rys. 3). Ponieważ
promień możemy wybrać dowolny, liter również możemy zmieścić
continuum.
Takie rozwiązanie może się jednak nie podobać. Mało który przedszkolak
poproszony o napisanie na kartce kilku liter umieściłby pewne dwie
jedna wewnątrz drugiej. Możemy zatem w tym wypadku chcieć nie tylko, by
litery się nie przecinały, lecz również by rozłączne były zamknięte przez nie obszary płaszczyzny.
Gdy dołożymy takie wymaganie, odpowiedź na nasze pytanie ulegnie zmianie.
Zauważmy bowiem, że wewnątrz każdej litery na
płaszczyźnie musi się znaleźć punkt o współrzędnych wymiernych, niezależnie od
tego, jak koślawo ją napiszemy.
Jest to konsekwencja faktu, że między dowolnymi dwiema różnymi liczbami
rzeczywistymi znajduje się liczba wymierna.
Punkty przypisane różnym literom muszą być różne, skoro ich wnętrza są
rozłączne.
Ponieważ liczb wymiernych jest przeliczalnie wiele, tyle jest również ich par,
czyli punktów o współrzędnych wymiernych.
Dowodzi to, że liter o rozłącznych wnętrzach można umieścić na płaszczyźnie
tylko przeliczalnie wiele. To samo tyczy się wszystkich liter ,,zamykających”
jakiś fragment płaszczyzny: , , czy
.
Spróbujmy teraz naszych sił z literą . Wydaje się, że nie zajmuje ona zbyt wiele
miejsca – przede wszystkim nie ma żadnego ,,brzuszka”, więc nie jesteśmy
w stanie, używając poprzedniego argumentu, uzasadnić, że zmieści się tylko
przeliczalnie wiele jej egzemplarzy.
Można powiedzieć, że składa się ona z trzech połączonych liter , co
pozwala nabrać podejrzeń, że na płaszczyźnie znajdzie się miejsce na ich continuum.
Jednak podstawowe zastosowane dotychczas sztuczki w tym wypadku się nie sprawdzają –
zarówno przesuwanie, jak i skalowanie (które działało w przypadku litery
) nie dają pożądanego rezultatu.
Intuicja może podpowiadać, że odpowiednio ją wyginając (nawet kosztem niskich not za
styl), będziemy na tyle blisko litery , że kontinuum powinno być
w zasięgu ręki. Ta intuicja jest jednak błędna, o czym przekonuje poniższe
rozumowanie.
Rozważmy zatem dowolny zbiór nieprzecinających się liter na
płaszczyźnie. Udowodnimy, że musi on być co najwyżej przeliczalny.
Dla ułatwienia dalszego rozumowania, wprowadźmy pojęcie koła
wymiernego, to znaczy takiego, że zarówno jego promień, jak i obie współrzędne środka są wymierne.
Wymiernych kół jest zatem przeliczalnie wiele, podobnie jak ich par, trójek, czwórek
itp.
Przyjrzyjmy się teraz igrekowej anatomii. Litera ma trzy
ramiona łączące się w punkcie, który nazwiemy przegubem (rys. 4).
Jakbyśmy takiej litery nie napisali,
możemy wskazać trzy rozłączne i wymierne koła, z których każde
zawiera koniec jednego z jej ramion,
nie przecina żadnego z pozostałych ramion, w szczególności nie zawiera przegubu.
Każdej napisanej przez nas literze
przypisujemy w ten sposób
trójkę wymiernych kół. Jak już wspomnieliśmy, takich trójek jest przeliczalnie
wiele. To oczywiście nie koniec dowodu – dwie litery mogą mieć
przypisany ten sam zestaw trzech wymiernych kół, jak pokazuje rys. 5.
Okazuje się jednak, że jeden zestaw nie może być współdzielony przez
trzy litery . Stwierdzenie to, które zaraz uzasadnimy,
implikuje, że liter napisaliśmy co najwyżej przeliczalnie wiele.
Przypuśćmy zatem, że jest inaczej – i że pewnym trzem literom
przyporządkowaliśmy tę samą trójkę kół wymiernych. Mamy trzy koła wymierne
i trzy przeguby, każdy przegub jest połączony kreską z każdym kołem wymiernym
i kreski te nie przecinają się (bo nie przecinają się napisane przez nas litery
). Polecam Czytelnikowi choć jedną próbę narysowania takiej
konfiguracji. Nie
udało się, prawda? I nie bez powodu – jest to niemożliwe!
Problem ten przybiera różne postaci, w jednej z nich należy trzy domy podłączyć
do źródeł wody, elektryczności i gazu tak, aby przyłącza nie przecinały się.
A w formalnym żargonie jest to stwierdzenie nieplanarności pełnego grafu
dwudzielnego (rys. 6).
Nie da rady i już – krótkie wyjaśnienie oparte na
wzorze Eulera można odnaleźć
w Deltoidzie
z .
Ponieważ może zmieścić się na płaszczyźnie co najwyżej przeliczalnie
wiele razy, to to samo dotyczy wszystkich liter, które zawierają
jako ,,podliterę”. Przykładami są czy , lecz
również wspomniane wcześniej i (rys. 7), i to nawet jeśli
dopuścimy ,,zawieranie” liter jedna w drugiej.
Czytelnikowi proponujemy rozstrzygnięcie tytułowego pytania dla każdej z pozostałych
liter alfabetu. Nie trzeba dodawać, że próby praktyczne są skazane na
niepowodzenie…