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數學 1931

論《數學原理》及相關系統中形式上不可判定的命題

庫爾特·哥德爾

在任何足夠豐富的算術系統中,都存在它永遠無法證明的真命題。

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In depth · the introduction

哥德爾證明:任何大到足以進行普通算術的規則手冊,都必定留下一些永遠無法被證明的真命題——而且,它永遠無法為自己擔保。

把這個想法拆開看

數十年來,數學家追逐著一個美麗的夢——常被稱作希爾伯特綱領:寫下一套嚴絲合縫的初始規則,使得原則上,關於數字的每一個真命題,都能僅憑一步步輾過這些規則而抵達。哥德爾證明,這個夢不可能實現。任何強大到足以處理普通算術的系統,都必定包含一些在它內部為真、卻無法被證明的命題。

他的方法,和他的結論一樣令人吃驚。他找到一種辦法,把每一個公式、每一個證明都變成一個數——於是「關於數字」的句子,可以暗地裡是「關於系統能證明什麼」的句子。憑藉這一點,他構造出一個語句,解碼後它說:「這句話在這裡無法被證明。」如果系統證明了它,系統就證明了一件假事;如果證不出,這句話就為真、卻夠不著。無論哪種情形,都有一道縫隙——而靠加規則去補,只會再裂開一道新的。

它從哪裡來

1930 年,在哥尼斯堡的一場會議上,24 歲的庫爾特·哥德爾,平靜地宣布了一個掀翻數學地基的結果——而就在此時,大衛·希爾伯特正重申著他那份自信滿滿的綱領,要把整個數學安放在確定的地基上。哥德爾的論文次年發表在維也納的一份期刊上,密布著一種讓算術談論自身的新技術。這一領域花了好些年才消化它;今天,它被公認為邏輯史上最重要的定理之一。

它為何重要

哥德爾為「證明所能做到的事」劃下了一道永久的界線。沒有任何形式系統,能同時做到完備、相容、又能為自己背書——一個令人謙卑的極限,同時重塑了數學與哲學。而它核心處那記妙招——被嚴格化了的自指——也成了計算機科學的種子:同一個想法表明,有些問題,任何程式都永遠解不開。

一句絆倒自己的話

想想那句古老的悖論:「這句話是假的。」若它為真,它就是假的;若它為假,它就是真的——它永遠打轉。哥德爾的天才,在於換掉了一個詞:他的句子說的不是「假的」,而是「不可證」。這小小的一改,把一個無用的悖論變成了一條精確的定理——那句話最終為真,卻不可證。在下方親手把它造出來,看著陷阱合攏。

一台可互動的自指機器:選擇一個謂詞,它便組出「這句話 ___。」——「在這裡無法被證明」給出哥德爾那個為真卻不可證的句子,「是假的」給出說謊者悖論,而一個無害的謂詞則只是可判定的;專家面板把所選句子編碼成單一的哥德爾數 ∏ pᵢ^(codeᵢ)。

你會在哪裡再遇見它

哥德爾的自指,迴響遠在邏輯之外。它是阿蘭·圖靈那個證明的直系祖先——沒有任何程式,能在一般情形下判定另一個程式會不會停機,這是理論計算機科學的基石;而每當一項任務被證明「無法自動完成」時,它的影子便會浮現。這也正是為什麼:沒有任何一套規則,無論多麼精巧,能成為數學真理的最終定論。

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數學的形式化

Kurt Gödel · Monatshefte für Mathematik und Physik 38 (1931): 173–198 · received 17 November 1930
The development of mathematics towards greater precision has led, as is well known, to the formalization of large tracts of it, so that one can prove any theorem using nothing but a few mechanical rules.
One might therefore conjecture that these axioms and rules of inference are sufficient to decide any mathematical question that can at all be formally expressed in these systems. It will be shown below that this is not the case.

定理 VI——不可判定的命題

Theorem VI
To every ω-consistent recursive class κ of formulae there correspond recursive class-signs r, such that neither v Gen r nor Neg (v Gen r) belongs to Flg(κ) (where v is the free variable of r).
In plainer terms: in any consistent system with mechanical rules rich enough to capture arithmetic, there is a sentence that the system can neither prove nor disprove.

一個斷言自身不可證的命題

The analogy of this argument with the Richard antinomy leaps to the eye. It is closely related to the “Liar” too; for the undecidable proposition [R(q); q] states that q belongs to K, i.e. … that [R(q); q] is not provable. We are therefore confronted with a proposition which asserts its own unprovability.

第二定理——相容性

The paper closes with a second, sharper result (Theorem XI): among the propositions a consistent system cannot decide is the statement of its own consistency. A system rich enough to express arithmetic can never prove, by its own rules alone, that it will never contradict itself.
Vienna · received 17 November 1930