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数学 1931

论《数学原理》及相关系统中形式上不可判定的命题

库尔特·哥德尔

在任何足够丰富的算术系统中,都存在它永远无法证明的真命题。

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In depth · the introduction

哥德尔证明:任何大到足以进行普通算术的规则手册,都必定留下一些永远无法被证明的真命题——而且,它永远无法为自己担保。

把这个想法拆开看

数十年来,数学家追逐着一个美丽的梦——常被称作希尔伯特纲领:写下一套严丝合缝的初始规则,使得原则上,关于数字的每一个真命题,都能仅凭一步步碾过这些规则而抵达。哥德尔证明,这个梦不可能实现。任何强大到足以处理普通算术的系统,都必定包含一些在它内部为真、却无法被证明的命题。

他的方法,和他的结论一样令人吃惊。他找到一种办法,把每一个公式、每一个证明都变成一个数——于是「关于数字」的句子,可以暗地里是「关于系统能证明什么」的句子。凭借这一点,他构造出一个语句,解码后它说:「这句话在这里无法被证明。」如果系统证明了它,系统就证明了一件假事;如果证不出,这句话就为真、却够不着。无论哪种情形,都有一道缝隙——而靠加规则去补,只会再裂开一道新的。

它从哪里来

1930 年,在哥尼斯堡的一场会议上,24 岁的库尔特·哥德尔,平静地宣布了一个掀翻数学地基的结果——而就在此时,大卫·希尔伯特正重申着他那份自信满满的纲领,要把整个数学安放在确定的地基上。哥德尔的论文次年发表在维也纳的一份期刊上,密布着一种让算术谈论自身的新技术。这一领域花了好些年才消化它;今天,它被公认为逻辑史上最重要的定理之一。

它为何重要

哥德尔为「证明所能做到的事」划下了一道永久的界线。没有任何形式系统,能同时做到完备、相容、又能为自己背书——一个令人谦卑的极限,同时重塑了数学与哲学。而它核心处那记妙招——被严格化了的自指——也成了计算机科学的种子:同一个想法表明,有些问题,任何程序都永远解不开。

一句绊倒自己的话

想想那句古老的悖论:「这句话是假的。」若它为真,它就是假的;若它为假,它就是真的——它永远打转。哥德尔的天才,在于换掉了一个词:他的句子说的不是「假的」,而是「不可证」。这小小的一改,把一个无用的悖论变成了一条精确的定理——那句话最终为真,却不可证。在下方亲手把它造出来,看着陷阱合拢。

一台可交互的自指机器:选择一个谓词,它便组出「这句话 ___。」——「在这里无法被证明」给出哥德尔那个为真却不可证的句子,「是假的」给出说谎者悖论,而一个无害的谓词则只是可判定的;专家面板把所选句子编码成单一的哥德尔数 ∏ pᵢ^(codeᵢ)。

你会在哪里再遇见它

哥德尔的自指,回响远在逻辑之外。它是阿兰·图灵那个证明的直系祖先——没有任何程序,能在一般情形下判定另一个程序会不会停机,这是理论计算机科学的基石;而每当一项任务被证明「无法自动完成」时,它的影子便会浮现。这也正是为什么:没有任何一套规则,无论多么精巧,能成为数学真理的最终定论。

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数学的形式化

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——不可判定的命题

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.

一个断言自身不可证的命题

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