可数集

在数学上，可数集，或称可列集，是与自然数集的某个子集具有相同基数（等势）的集合。在这个意义下，可数集由有限可数集和无限可数集组成。不是可数集的无穷集称为不可数集。这个术语是康托尔创造的。可数集的元素，正如其名，是“可以计数”的：尽管计数有可能永远无法终止，集合中每一个特定的元素都将对应一个自然数。

“可数集”这个术语有时也指代可数无穷集，即仅代表能和自然数集本身一一对应的集合。两个定义的差别在于有限集合在前者中算作可数集，而在后者中不算作可数集。

为了避免歧义，前一种意义上的可数有时称为至多可数，后一种可数集则称为无限可数集。

定义

如果存在从$S$到自然数集合$\mathbb{N}=\left \{ 1,2,3,\ldots \right \}$存在单射函数，则$S$称为可数集。

如果$S$还是满射，则同样是双射，则称$S$是无限可数集。

换句话说，一个集合要想是无限可数集，它要和自然数集$\mathbb{N}$有一一对应关系。

如上所述，这个术语不普遍：一些作者在这里使用可数来表示被称为“无限可数”，并没有包括有限集。

介绍

由定义易知所有偶数所构成的集合为可列的，因为我们可以将所有的$n$都对应到$2n$，如此就完成了一一对应。类似地，不难证明所有整数构成的集合$\mathbb{Z}$、所有有理数构成的集合$\mathbb{Q}$、甚至所有代数数构成的集合都是可列的。

并非所有的无穷集都可数。乔治·康托首先指出存在有不可列的无穷集合。他利用他发明的对角论证法证明了由所有实数构成的集合$\mathbb{R}$是不可列的，即$\mathbb{R}$与$\mathbb{N}$之间不可能存在一种一一对应。这同时也表示实数当中存在有一些数不是代数数，因为刚才已经说过代数数是可列的；于是这就给出了一种超越数存在的非构造性证明。

正规定义和性质

由定义，如果存在从$S$到自然数集合$\mathbb{N}=\left \{ 0,1,2,3,\ldots \right \}$存在单射函数$f:S\rightarrow \mathbb{N}$，则$S$称为可数集。

这似乎自然地把集合划分为不同类别：把所有包含一个元素的集合放在一起；包含两个元素的集合在一起......最后，把所有无限集合放在一起，并认为它们具有相同的大小。然而，在大小的自然定义下，这种观点是不确切的。

为了阐述这一点，我们需要一个双射的概念。虽然双射看起来比数更加高深，但原本数学发展中集论定义函数要先于数字。因为它们都是基于更简单的集合。这就引出了双射的概念：

$a\leftrightarrow 1,b\leftrightarrow 2,c\leftrightarrow 3$

由于$\left \{ a,b,c \right \}$的每个元素都可以和$\left \{ 1,2,3 \right \}$中准确的一个配对，并且反过来也同样，这就定义了一个双射。

我们将这个情境一般化，定义当且仅当它们之间存在双射，两个集合的大小相同。对于有限集，这里给出了“大小相同”的常用定义。那么对于无限集呢？

考虑集合$A=\left \{ 1,2,3,\ldots \right \}$（正整数集），和$B=\left \{ 2,4,6,\ldots \right \}$（正偶数集）。我们说，在我们的定义下，这些集合有相同的大小，并且因此B是无限可数集。我们需要证明它们之间存在双射。但这是很简单的，运用$n\leftrightarrow 2n$，那么

$1\leftrightarrow 2,2\leftrightarrow 4,3\leftrightarrow 6,4\leftrightarrow 8,\ldots$

正如前面的例子，$A$的每个元素都已和$B$中准确的一个配对，并且反过来也同样。因而它们大小相同。这给出了一个集合与其一个合适的子集大小相同的例子，这种情形在有限集中是不可能的。

同样，自然数的有序对的集合，也就是自然数集合的笛卡尔积 $\mathbb{N} \times \mathbb{N}$，是无限可数集，可以沿着图中的一种路径：

康拖尔配对函数给每一对自然数分配了一个自然数

配对结果就像这样：

$0\leftrightarrow (0,0),1\leftrightarrow (1,0), 2\leftrightarrow (0,1), 3\leftrightarrow (2,0), 4\leftrightarrow (1,1), 5\leftrightarrow (0,2), 6\leftrightarrow(3,0), \ldots$

显然这个映射可以覆盖所有这些有序对。另一个证明方法是可以定义一个从自然数集合的笛卡尔积 $\mathbb{N} \times \mathbb{N}$到自然数集合$\mathbb{N}$的单射函数$f(p,q) = 2^p3^q$。

利用数学归纳法，可知在n是个有限的自然数时，自然数集合的n-元笛卡尔积 $\prod_{i =1}^{n} \mathbb{N} = \{(x_1, \ldots, x_n) \ | \ x_1\land\;\ldots\;\land\;x_n\in \mathbb{N}\}$是可数的。利用自然数集的笛卡尔积是可数的这点，可以证明整数集和有理数集是可数集，这是因为整数可以视为自然数的有序对（可将正整数$n$给视为$(n,0)$，将负整数$-n$给视为$(0,n)$），而以最简分数形式表示的有理数$p/q$也可视为整数的有序对$(p,q)$所致。

另外，可数无限多个可数集的联集是可数的，这是因为可以定义一个单射函数，将可数无限多个可数集的联集给映至自然数集合的笛卡尔积 $\mathbb{N} \times \mathbb{N}$之故。

不过可数无限多个自然数集合的笛卡尔积不是可数的，这可以透过康托的对角论证法证明。

参见

• Aleph数
• 计数
• 希尔伯特旅馆悖论
• 不可数集
• 有限集合

参考资料

• Lang, Serge, Real and Functional Analysis, Berlin, New York: Springer-Verlag, 1993, ISBN 0-387-94001-4 
• Rudin, Walter, Principles of Mathematical Analysis, New York: McGraw-Hill, 1976, ISBN 0-07-054235-X