Deltoid
Punkty na prostej
W deltoidzie 7/2013 wykazaliśmy, że odcinek nie jest przeliczalny,
posługując się tzw. metodą przekątniową Cantora. Tym razem udowodnimy
ten sam fakt, wykorzystując pewną dwuosobową grę, której „planszą” jest
zbiór
Gra. Ania i Bartek grają w następującą grę. Najpierw ustalili wspólnie pewien
podzbiór
odcinka
Następnie Ania wybiera dowolną
liczbę
po czym Bartek wybiera
W kolejnych
ruchach, które wykonują na przemian, każdy gracz musi wybrać liczbę
pomiędzy dwiema ostatnio wybranymi, czyli
oraz
dla
Ciąg
jest rosnący i ograniczony z góry, a więc ma granicę
Jeśli
to wygrywa Ania, w przeciwnym
przypadku – Bartek.
Strategia. Wykażemy, że jeśli zbiór
jest co najwyżej
przeliczalny, to Bartek ma strategię wygrywającą. Dla
na pewno
więc Bartek wygra. Dla
ustawmy
elementy zbioru
w nieskończony ciąg
(jeśli
jest skończony, powtarzamy ostatni element). Niech
Bartek dla każdego
wybiera
o ile jest to zgodne
z zasadami gry, a w przeciwnym przypadku niech wybiera dowolne
dozwolone
W ten sposób dla każdego
albo
albo
było dla
Bartka niedostępne, czyli
lub
Wobec tego dla
żadnego
liczba
nie należy do przedziału
Stąd
żadna z liczb
nie jest równa
czyli
Opisana
strategia faktycznie jest więc dla Bartka wygrywająca.
Morał. Oczywiście jeśli
grę wygrywa Ania niezależnie
od przebiegu rozgrywki. Wobec powyższego oznacza to, że zbiór
nie jest przeliczalny.
Dalsze wnioski z tej gry: http://people.math.gatech.edu/~mbaker/pdf/realgame.pdf.
W deltoidzie 7/2013 wykazaliśmy też, że liczby wymierne tworzą zbiór przeliczalny. Zajmiemy się teraz przykrywaniem ich kolorowymi odcinkami.

Rys. 1 Otoczenie o promieniu
punktu
.
Zamalujemy całą prostą... Dana jest liczba
Dla każdej liczby wymiernej
zamalujmy wszystkie punkty z osi liczb rzeczywistych odległe od niej o mniej
niż
(Rys. 1). Czy niezależnie od wyboru
pomalujemy w ten
sposób całą prostą?
Okazuje się, że tak. Aby upewnić się, że liczba rzeczywista
zostanie
zamalowana, rozważmy odcinek
Należy do niego pewna
liczba wymierna
Odległość
od
jest mniejsza
niż
zatem
zostanie zamalowany, gdy malować będziemy
otoczenie punktu
o promieniu
... a może niekoniecznie całą? Dla każdej liczby wymiernej
zamalujmy
wszystkie punkty z osi liczb rzeczywistych odległe od niej o mniej niż pewna
zależna od
dodatnia wielkość
Czy niezależnie
od wyboru
pomalujemy całą prostą?

Rys. 2 Otoczenie o promieniu
punktu
.
Okazuje się, że niekoniecznie! Dla każdej liczby wymiernej
ustalmy
równe
połowie odległości pomiędzy
a liczbą
(Rys. 2). Wówczas
liczba
nie zostanie zamalowana, gdyż od każdej liczby
wymiernej
jest odległa o więcej niż
Zamalujemy dowolnie mało! Nietrudno zmodyfikować powyższe
rozumowanie, by zostawić niezamalowane dwie liczby niewymierne,
np.
oraz
Czy można tak dobrać
by
zamalować istotnie mniejszą część prostej?
Ustawmy liczby wymierne w ciąg
i niech
dla
każdej liczby wymiernej
Wtedy dla
malujemy jej
otoczenie o promieniu
a więc odcinek o długości 1, dla
– otoczenie o promieniu
czyli odcinek o długości
etc.
Łączna długość zamalowanej w ten sposób części prostej nie przekracza

Pomalowaliśmy wszystkie liczby wymierne, a jednocześnie praktycznie cała
prosta pozostała niezamalowana! Co więcej, zamalowana część prostej może
mieć dowolnie małą długość – wystarczy odpowiednio zmniejszyć
wszystkie