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描述集合論（descriptive set theory）學(xué)者致力于研究無(wú)窮領(lǐng)域的小眾數(shù)學(xué)。如今，他們發(fā)現(xiàn)這些抽象問(wèn)題竟能以具象的算法語(yǔ)言重新詮釋。

圖源：Valentin Tkach / Quanta Magazine

作者：Joseph Howlett（量子雜志撰稿人）2025-11-21

譯者：zzllrr小樂(lè)（數(shù)學(xué)科普公眾號(hào)）2025-11-22

所有現(xiàn)代數(shù)學(xué)都建立在集合論的基礎(chǔ)之上 —— 這門(mén)學(xué)科研究如何組織抽象對(duì)象的集合。但通常，研究型數(shù)學(xué)家在解決自身問(wèn)題時(shí)無(wú)需刻意考量集合論：他們只需默認(rèn)集合的行為符合預(yù)期，便可繼續(xù)開(kāi)展研究。

描述集合論學(xué)者卻是例外。這個(gè)小眾的數(shù)學(xué)家群體從未停止探索集合的本質(zhì) —— 尤其是那些被其他數(shù)學(xué)家忽視的、奇特的無(wú)窮集合。

而他們的領(lǐng)域如今不再孤立。2023年，數(shù)學(xué)家安東?伯恩斯坦（Anton Bernshteyn）發(fā)表了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn) https://link.springer.com/article/10.1007/s00222-023-01188-3 ，揭示了描述集合論這一遙遠(yuǎn)的數(shù)學(xué)前沿與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)之間令人意外的深層關(guān)聯(lián)。

他證明，所有關(guān)于特定無(wú)窮集合的問(wèn)題，都可轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的問(wèn)題。這座連接兩大領(lǐng)域的橋梁讓雙方研究者都倍感震驚：集合論學(xué)者使用邏輯語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)科學(xué)家則依賴(lài)算法語(yǔ)言；集合論探討無(wú)窮，計(jì)算機(jī)科學(xué)聚焦有限。從常理來(lái)看，兩者的問(wèn)題本無(wú)關(guān)聯(lián)，更不用說(shuō)等價(jià)了。

“這太不可思議了，” 布拉格查理大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家瓦茨拉夫?羅茲洪（Václav Rozhoň）表示，“按理說(shuō)，這種關(guān)聯(lián)根本不該存在?！?/p>

自伯恩斯坦的成果發(fā)表以來(lái)，同行們紛紛探索如何利用這座 “橋梁” 在兩大領(lǐng)域間雙向推進(jìn)，證明新定理，并嘗試將橋梁延伸至更多類(lèi)別的問(wèn)題。部分描述集合論學(xué)者甚至開(kāi)始借鑒計(jì)算機(jī)科學(xué)的洞見(jiàn)，重構(gòu)自身領(lǐng)域的知識(shí)體系，并重新思考對(duì)無(wú)窮的理解。

安東·伯恩斯坦一直在發(fā)掘和探索集合論與更偏向應(yīng)用的領(lǐng)域（如計(jì)算機(jī)科學(xué)和動(dòng)力系統(tǒng)）之間的重要聯(lián)系。

圖源：Siiri Kivimaki

“長(zhǎng)期以來(lái)，我們一直在研究極為相似的問(wèn)題，卻從未有過(guò)直接交流，” 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的描述集合論學(xué)者克林頓?康利（Clinton Conley）說(shuō)，“這一發(fā)現(xiàn)為所有新的合作打開(kāi)了大門(mén)。”

破碎的集合

伯恩斯坦本科時(shí)首次聽(tīng)聞描述集合論 —— 當(dāng)時(shí)有教授稱(chēng)這是一個(gè)曾有價(jià)值但如今已沒(méi)落的領(lǐng)域。一年多后，他才發(fā)現(xiàn)這位教授的說(shuō)法有誤。

2014年，作為伊利諾伊大學(xué)的一年級(jí)研究生，伯恩斯坦選修了阿努什?采魯尼揚(yáng)（Anush Tserunyan）的邏輯課程（后者后來(lái)成為他的導(dǎo)師之一）。采魯尼揚(yáng)糾正了他的誤解?！拔夷苓M(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域全歸功于她，” 伯恩斯坦說(shuō)，“她讓我意識(shí)到，邏輯與集合論就像膠水，連接著數(shù)學(xué)的各個(gè)不同分支?！?/p>

描述集合論可追溯至格奧爾格?康托爾（Georg Cantor）。1874年，康托爾證明了無(wú)窮存在不同的 “大小”（參閱 ）：例如，整數(shù)集（0、1、2、3……）與所有分?jǐn)?shù)組成的集合大小相同，但小于實(shí)數(shù)集的大小。

阿努什?采魯尼揚(yáng)認(rèn)為描述性集合論是將數(shù)學(xué)不同部分連接在一起的連接組織。

圖源：Anush Tserunyan（阿努什?采魯尼揚(yáng)）

當(dāng)時(shí)，數(shù)學(xué)家們對(duì)這種 “無(wú)窮的多樣態(tài)” 深感困惑?！斑@很難讓人理解，” 如今任職于加州大學(xué)洛杉磯分校的伯恩斯坦說(shuō)。

為回應(yīng)這種困惑，數(shù)學(xué)家們提出了一種新的 “大小” 概念 —— 描述集合所占據(jù)的長(zhǎng)度、面積或體積，而非其包含的元素?cái)?shù)量。這種 “大小” 被稱(chēng)為集合的 “測(cè)度”measure（與康托爾提出的 “基數(shù)” cardinality相對(duì)）。最簡(jiǎn)單的測(cè)度類(lèi)型之一是勒貝格測(cè)度，用于量化集合的長(zhǎng)度。例如，0 到 1 之間的實(shí)數(shù)集與 0 到 10 之間的實(shí)數(shù)集都是無(wú)窮集，且基數(shù)相同，但前者的勒貝格測(cè)度為 1，后者為 10。

為研究更復(fù)雜的集合，數(shù)學(xué)家們會(huì)使用其他類(lèi)型的測(cè)度。集合越 “不規(guī)則”，可用于測(cè)量它的方法就越少。描述集合論學(xué)者的核心問(wèn)題是：哪些集合能通過(guò)不同的 “測(cè)度” 定義進(jìn)行測(cè)量？他們根據(jù)答案將集合劃分為不同層級(jí)：層級(jí)頂端是構(gòu)造簡(jiǎn)單、可通過(guò)任意測(cè)度定義研究的集合；層級(jí)底端則是 “不可測(cè)集”—— 這些集合過(guò)于復(fù)雜，根本無(wú)法測(cè)量?！叭藗兂Ｓ谩?strong>病態(tài)’pathological來(lái)形容它們，” 伯恩斯坦說(shuō)，“不可測(cè)集非常特殊，違背直覺(jué)且行為反常?！?/p>

這種層級(jí)分類(lèi)不僅幫助集合論學(xué)者梳理領(lǐng)域版圖，還為其他數(shù)學(xué)分支的研究者提供了工具選擇的依據(jù)。動(dòng)力系統(tǒng)、群論、概率論等領(lǐng)域的數(shù)學(xué)家需要了解其研究對(duì)象集合的大小，而集合在層級(jí)中的位置決定了他們可使用的解題工具。

因此，描述集合論學(xué)者就像圖書(shū)管理員，打理著一個(gè)收藏著各類(lèi)無(wú)窮集合（及對(duì)應(yīng)測(cè)量方法）的巨大書(shū)架。他們的工作是：接收一個(gè)問(wèn)題，判斷其解所需集合的復(fù)雜程度，然后將問(wèn)題歸置到合適的 “書(shū)架” 上，供其他數(shù)學(xué)家參考。

格奧爾格?康托爾發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)的無(wú)限可以有許多不同的形態(tài)和大小。

圖源：Emilio Segre Visual Archives

做出選擇

伯恩斯坦所屬的研究群體專(zhuān)注于整理與 “圖” 相關(guān)的無(wú)窮集合問(wèn)題 —— 圖是由節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的邊組成的結(jié)構(gòu)。他尤其關(guān)注具有無(wú)窮多個(gè)獨(dú)立分支、且每個(gè)分支包含無(wú)窮多個(gè)節(jié)點(diǎn)的圖。大多數(shù)圖論學(xué)者不研究這類(lèi)圖，而是聚焦于有限圖。但這類(lèi)無(wú)窮圖能表征動(dòng)力系統(tǒng)及其他重要集合的信息，因此成為描述集合論學(xué)者的主要研究方向之一。

以下是伯恩斯坦及其同事研究的一類(lèi)無(wú)窮圖示例：

從一個(gè)包含無(wú)窮多個(gè)點(diǎn)的圓開(kāi)始，選取一個(gè)點(diǎn)作為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)；

沿著圓周移動(dòng)固定距離，得到第二個(gè)節(jié)點(diǎn)（例如移動(dòng)圓周的五分之一），用邊連接這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)；

繼續(xù)移動(dòng)相同距離得到第三個(gè)節(jié)點(diǎn)，與前一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，依此類(lèi)推。

如果每次移動(dòng)的距離是分?jǐn)?shù)（如五分之一），則經(jīng)過(guò)有限步后會(huì)回到起點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)形成閉合回路；

但如果移動(dòng)距離無(wú)法表示為分?jǐn)?shù)，則這個(gè)過(guò)程會(huì)無(wú)限進(jìn)行，形成無(wú)窮多個(gè)相互連接的節(jié)點(diǎn)。

圖源：Mark Belan / 編譯：zzllrr小樂(lè)

但這只是圖的第一個(gè)分支。即便包含無(wú)窮多個(gè)節(jié)點(diǎn)，它也未覆蓋圓上的所有點(diǎn)。要生成其他分支，只需從圓上未被包含的點(diǎn)出發(fā)，按相同距離移動(dòng)，即可形成第二個(gè)無(wú)窮節(jié)點(diǎn)序列，且與第一個(gè)分支完全獨(dú)立。

對(duì)圓上所有可能的起點(diǎn)重復(fù)這一過(guò)程，最終會(huì)得到一個(gè)由無(wú)窮多個(gè)獨(dú)立分支組成的圖，每個(gè)分支都包含無(wú)窮多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

數(shù)學(xué)家們會(huì)探討這類(lèi)圖的著色問(wèn)題：例如，僅用兩種顏色，能否為所有節(jié)點(diǎn)著色，使得任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)顏色不同？表面上看，解決方案很簡(jiǎn)單：

對(duì)第一個(gè)分支，任選一個(gè)節(jié)點(diǎn)染藍(lán)色，其余節(jié)點(diǎn)按 “黃 - 藍(lán) - 黃 - 藍(lán)” 的交替模式著色；

對(duì)所有其他分支重復(fù)此操作，最終僅用兩種顏色即可完成著色。

但這個(gè)著色過(guò)程依賴(lài)于一個(gè)隱含假設(shè) —— 集合論中的 “選擇公理”。這是構(gòu)建所有數(shù)學(xué)命題的九大基本公理之一，其核心是：給定任意多個(gè)集合，即使集合數(shù)量無(wú)窮，也能從每個(gè)集合中選出一個(gè)元素組成新集合。選擇公理十分有用，能幫助數(shù)學(xué)家證明各類(lèi)重要命題，但也會(huì)導(dǎo)致奇特的悖論，因此描述集合論學(xué)者通常會(huì)回避它。

在上述著色問(wèn)題中，圖的無(wú)窮多個(gè)分支對(duì)應(yīng)無(wú)窮多個(gè)集合，而從每個(gè)分支中選擇第一個(gè)染藍(lán)色的節(jié)點(diǎn)，本質(zhì)上就是在運(yùn)用選擇公理。當(dāng)后續(xù)按交替模式著色時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)（長(zhǎng)度為零）都是被單獨(dú)處理的，我們無(wú)法理解來(lái)自不同分支的節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián) —— 這意味著，所有藍(lán)色節(jié)點(diǎn)組成的集合和所有黃色節(jié)點(diǎn)組成的集合都無(wú)法用長(zhǎng)度來(lái)描述，即這些集合是不可測(cè)的，數(shù)學(xué)家們無(wú)法從中獲取有用信息。

這讓描述集合論學(xué)者感到不滿(mǎn)意。他們希望找到一種 “連續(xù)” 的著色方式 —— 不依賴(lài)選擇公理，且能得到可測(cè)集合。具體方法如下：

回顧第一個(gè)分支的構(gòu)建過(guò)程：

從圓上一點(diǎn)出發(fā)，按固定距離連接下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；

給第一個(gè)節(jié)點(diǎn)染藍(lán)色，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)染黃色，并將兩者之間的弧段也染藍(lán)色；

第二個(gè)節(jié)點(diǎn)與第三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的弧段染黃色，第三個(gè)弧段染藍(lán)色，依此類(lèi)推。

很快，著色會(huì)幾乎覆蓋整個(gè)圓，僅剩一小段未著色的區(qū)域。假設(shè)最后一段著色的弧是黃色，那么這段剩余區(qū)域該如何著色？既不能用藍(lán)色（因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)與藍(lán)色弧段的節(jié)點(diǎn)相鄰），也不能用黃色（因?yàn)榕c黃色弧段的節(jié)點(diǎn)相鄰）—— 必須使用第三種顏色（如綠色）才能完成著色。

最終，藍(lán)色、黃色和綠色節(jié)點(diǎn)組成的集合都是圓周的一部分，而非運(yùn)用選擇公理時(shí)那種分散的點(diǎn)集。這些集合的長(zhǎng)度可以計(jì)算，是可測(cè)的。

因此，描述集合論學(xué)者將 “兩色著色問(wèn)題” 歸置到層級(jí)的最底層（對(duì)應(yīng)不可測(cè)集），而 “三色著色問(wèn)題” 則被歸置到更高層級(jí) —— 這類(lèi)問(wèn)題可通過(guò)多種測(cè)度定義進(jìn)行研究。

伯恩斯坦在研究生階段一直致力于研究這類(lèi)著色問(wèn)題，并逐一將它們歸類(lèi)。獲得學(xué)位后不久，他偶然發(fā)現(xiàn)了一種可一次性歸類(lèi)所有這類(lèi)問(wèn)題的方法，并意識(shí)到這些問(wèn)題蘊(yùn)含著比人們此前認(rèn)知更深層、更具數(shù)學(xué)意義的結(jié)構(gòu)。

一輪又一輪

伯恩斯坦偶爾會(huì)參加計(jì)算機(jī)科學(xué)講座。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，圖是有限的，通常用于表征計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

2019年，一場(chǎng)關(guān)于 “分布式算法” 的講座改變了他的職業(yè)生涯。分布式算法是指在網(wǎng)絡(luò)中的多臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行的指令集，無(wú)需中央?yún)f(xié)調(diào)器即可完成任務(wù)。

舉個(gè)例子：一棟建筑中有多臺(tái) Wi-Fi 路由器，相鄰路由器若使用相同通信信道會(huì)產(chǎn)生干擾，因此每臺(tái)路由器需選擇與相鄰路由器不同的信道。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家可將其轉(zhuǎn)化為圖著色問(wèn)題：

每個(gè)路由器視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，相鄰路由器用邊連接；

僅用兩種顏色（代表兩種信道），為所有節(jié)點(diǎn)著色，使得相鄰節(jié)點(diǎn)顏色不同。

但這里有個(gè)關(guān)鍵限制：節(jié)點(diǎn)只能通過(guò) “局部算法” 與直接相鄰的節(jié)點(diǎn)通信。具體流程為：

每個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行相同算法，為自己分配一個(gè)顏色；

與相鄰節(jié)點(diǎn)通信，了解周邊小范圍區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的著色情況；

再次運(yùn)行算法，決定保留或更改自身顏色；

重復(fù)上述步驟，直至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成合規(guī)著色。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家關(guān)注的是特定算法所需的步驟數(shù)。例如，僅用兩種顏色解決路由器著色問(wèn)題的局部算法效率必然極低，但如果允許使用三種顏色，則能找到高效的局部算法。

在伯恩斯坦參加的這場(chǎng)講座中，演講者討論了不同問(wèn)題的 “閾值”（如著色所需的最少顏色數(shù)）。他突然意識(shí)到，其中一個(gè)閾值與描述集合論中的某個(gè)閾值極為相似 —— 即給特定無(wú)窮圖進(jìn)行可測(cè)著色所需的最少顏色數(shù)。

對(duì)伯恩斯坦而言，這絕非巧合：

計(jì)算機(jī)科學(xué)家也像 “圖書(shū)管理員”，根據(jù)算法效率為問(wèn)題分類(lèi)；

兩類(lèi)問(wèn)題都可通過(guò)圖和著色來(lái)表述。

他猜想，這兩個(gè) “書(shū)架” 的共性遠(yuǎn)不止于此 —— 兩大領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)可能遠(yuǎn)比想象中更深層?；蛟S，所有的 “書(shū)籍” 和 “書(shū)架” 本質(zhì)上都是相同的，只是用不同語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)，亟需一位 “翻譯者”。

打開(kāi)大門(mén)

伯恩斯坦著手將這種關(guān)聯(lián)具象化。他希望證明：每一種高效的局部算法，都能轉(zhuǎn)化為對(duì)無(wú)窮圖的勒貝格可測(cè)著色方式（滿(mǎn)足一些額外的重要性質(zhì)）。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)科學(xué)中最重要的 “書(shū)架” 之一，與集合論中最重要的 “書(shū)架” 之一（層級(jí)頂端）是等價(jià)的。

他從計(jì)算機(jī)科學(xué)講座中提到的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題類(lèi)別入手，聚焦其核心規(guī)則：無(wú)論圖有一千個(gè)還是十億個(gè)節(jié)點(diǎn)，任意節(jié)點(diǎn)的算法僅需利用其局部鄰域的信息。

算法要正常運(yùn)行，只需為給定鄰域內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一編號(hào)，以便記錄相鄰節(jié)點(diǎn)的信息并發(fā)出指令。在有限圖中，這很容易實(shí)現(xiàn) —— 只需給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配不同的編號(hào)。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家瓦茨拉夫·羅茲洪（Václav Rozhoň）利用集合論與網(wǎng)絡(luò)科學(xué)之間新發(fā)現(xiàn)的聯(lián)系來(lái)解決他感興趣的問(wèn)題。

圖源：托馬什·普林克（Tomá? Princ），查理大學(xué)

如果伯恩斯坦能在無(wú)窮圖上運(yùn)行相同的算法，就意味著他能以可測(cè)方式為無(wú)窮圖著色，從而解決集合論中的圖著色問(wèn)題。但問(wèn)題在于：這些無(wú)窮圖是 “不可數(shù)” 的無(wú)窮集，無(wú)法為所有節(jié)點(diǎn)分配唯一編號(hào)。

伯恩斯坦面臨的挑戰(zhàn)是找到更巧妙的編號(hào)方式。他知道必須重復(fù)使用編號(hào)，但只要相鄰節(jié)點(diǎn)的編號(hào)不同即可。那么，是否存在一種方法，能在不重復(fù)使用鄰域內(nèi)編號(hào)的前提下分配標(biāo)簽？

伯恩斯坦證明了這種方法始終存在 —— 無(wú)論使用多少個(gè)標(biāo)簽，無(wú)論局部鄰域包含多少個(gè)節(jié)點(diǎn)。這意味著，計(jì)算機(jī)科學(xué)中的算法總能安全地推廣到集合論領(lǐng)域?！拔覀兛蚣苤械娜魏嗡惴?，都對(duì)應(yīng)著描述集合論框架中對(duì)任意圖的可測(cè)著色方式，” 羅茲洪說(shuō)。

這一證明讓數(shù)學(xué)家們倍感意外：它揭示了計(jì)算與可定義性、算法與可測(cè)集之間的深層聯(lián)系。如今，數(shù)學(xué)家們正積極利用伯恩斯坦的發(fā)現(xiàn)：例如，在今年發(fā)表的一篇論文中，羅茲洪及其同事通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)的視角，解決了一類(lèi)特殊圖（樹(shù)）的著色問(wèn)題 https://drops.dagstuhl.de/entities/document/10.4230/LIPIcs.ITCS.2022.29 。該結(jié)果還闡明了數(shù)學(xué)家可用于研究樹(shù)對(duì)應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)的工具?！霸谝粋€(gè)連基本定義都不懂的領(lǐng)域證明結(jié)果，這是一種非常有趣的體驗(yàn)，” 羅茲洪說(shuō)。

數(shù)學(xué)家們也在嘗試反向 “翻譯” 問(wèn)題。例如，他們利用集合論，對(duì)某類(lèi)問(wèn)題的求解難度得出了新的估算。 https://arxiv.org/abs/2111.03683

伯恩斯坦搭建的 “橋梁” 不僅提供了一套解決單個(gè)問(wèn)題的新工具，還讓集合論學(xué)者能更清晰地審視自身領(lǐng)域。此前，許多問(wèn)題無(wú)法分類(lèi)，如今情況發(fā)生了改變 —— 集合論學(xué)者可以借助計(jì)算機(jī)科學(xué)家更系統(tǒng)的 “書(shū)架” 來(lái)指導(dǎo)分類(lèi)。

伯恩斯坦希望這一新興研究領(lǐng)域能改變職業(yè)數(shù)學(xué)家對(duì)集合論研究的看法 —— 不再將其視為脫離現(xiàn)實(shí)數(shù)學(xué)世界的遙遠(yuǎn)領(lǐng)域?！拔艺Ω淖冞@一點(diǎn)，” 他說(shuō)，“我希望人們能習(xí)慣思考無(wú)窮?！?/p>

參考資料

https://www.quantamagazine.org/a-new-bridge-links-the-strange-math-of-infinity-to-computer-science-20251121/

https://link.springer.com/article/10.1007/s00222-023-01188-3

https://drops.dagstuhl.de/entities/document/10.4230/LIPIcs.ITCS.2022.29

https://arxiv.org/abs/2111.03683

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