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第四章
顺序之界说

我们对于自然数隶的分析工夫所已经做到的地步,乃是隶中之项(数),诸项全体所共组之类(归纳数),以及一数对其继数之关系(继数之逆关系)都下了逻辑的界说。现在应当论自然数的0,1,2,3,……这种“然相属”(以后或简称“属”)的特性。我们平常想到数,以为他们的顺序就是如此;但是我们既要在已知的事件上做分析的工夫,就有一件不可少的要务,便是替“顺序”(Order)或“级数”(Series)求一个月逻辑的名词来表示的界说。

顺序这观念,在算学上非常重要。不但整数有所谓大小顺序,就是有尽分数及一切实数也有大小顺序,他们的算理的性质,也大量以此为要素。直线上点之顺序,在几何中是要素;平面上过一点之直线之顺序,以及空间中过一直线之平面之顺序,虽然比较复杂些,也很重要。几何中所谓“进向”(Dimension),就生于顺序。做全部高等算学基础的极限(Limit)观念,也是一个隶之观念。算学中也有些部分不凭借顺序观念的,但是比之凭借着却少得多。

求顺序之界说,第一要明白,一串事项,绝不会有了一种顺序,就排斥其余各种顺序。他们能有多少顺序就有多少顺序。有时候一串事项按某种顺序排列,我们学得很自然很习惯,就想说这是他们唯一的顺序;但这是一种错误。自然数——即归纳数——在人心中最易按大小顺序排列;其实他们也可以有无穷的别种排列。譬如说:我们可以先取一切奇数,后取一切偶数;或者首列1,次列一切偶数,次列一切3之奇倍数,次一切5的倍数之非2或3的倍数者,次列一切7的倍数之非 2或3或5的倍数者,就一切素数之倍数依此排尽。凡说如此如此排列,实在是句不精确的话:其实我们何尝排列,不过是注意到某某关系罢了,有了这某某关系,则某某顺序才会生出。我们不能排列自然数,犹如不能排列天上的星辰;然而我们仰观天上的恒星,可以依其方位看,也可以依其亮度看,自然数也自然。其间可观察之关系甚多,我们注意在何种关系,他们就有何种顺序,各种顺序都一样的合理。自然数如此,直线上之点或时间之瞬刻等也莫不如此:一种顺序或比较熟悉,但其余的也一样真实。例如直线上之点,我们可以先取其坐标为整数者,次取坐标为有尽数(非整)者,次又取其坐标为代数的无尽数者,诸如此类,爱怎么排就怎么排。照这样得的一个顺序,乃是直线上之点所本有的,不论我们注意与否,他总常常存在;在一组事项之各种不同的顺序里面,只有我们的注意,是个随便的东西,至于事项本身所能有的各种顺序,是无时不存在不可以意为之的。

由以上观察之结果,可知一组事项之顺序的界说,不可在全组之性质上求,因为一组可以有的顺序很多,不祇一种。顺序不存在于事项之“类”上,乃存在于各事项间之“关系”上,因此关系而事项有前后之分。一类之所以有许多顺序者,其原因在各时相间含有许多关系。然则一种关系必须具有如何之性质才能发生顺序?

设有一关系,果能发生顺序,则取所欲依顺序排列之类,于其中任择两项,吾人必能言其何者“居前”何者“随后”,以此为准,凡能发生顺序之关系,其特性皆可发现。惟以后使用“居前”,“随后”两语,须如吾人了解此两语之意义,故凡能生顺序之关系,非具备三种性质不可。

(1)若x居y前,则y不居x前。这是属关系的一个很鲜明的特性。若x较小于y,则y不小于x。若x较早于y,则y不较早于x。若x在y左,则y不在x左。反之,关系之不能发生者,即无此性。若x为y之兄弟或姐妹,则y为x之兄弟或姐妹。若x与y同高,则y与x同高。若x与y不等高,则y与x不等高。在这些例上,都是x对y有什么关系,y对x也有什么关系。属关系上,不会发生这种事。关系之具此第一性质者,曰偏称关系(Asymmetrical relation)。

(2)若x居y前y居z前,则x居z前。这仍可用前举“较小”,“较早”,“在左”诸例来说明。至于不具性质(1)之三例中,一个具性质(2),其余则否。若x为y之兄弟或姐妹,y为z之兄弟或姐妹,xi不必为z之兄弟或姐妹,因为x与z也许是一个人。“不等高”与于此同,然“等高”关系虽无性质(1),却有性质(2)。“父”关系有性质(1)而无性质(2)。关系之具性质(2)者,曰传递关系。(Transitive relation)

(3)于一个欲依顺序排列之类中任取两项,必定一个居前一个随后。例如任意两整数,或两分数,或两无尽数,必一较大而一较小;惟两复素数则不然。时间之丙瞬刻必一较早而一较迟;然两事之起,可以同时,就不能照这样说了。一直线上两点,必一点在他一点之左。关系之具性质(3)者,曰结合关系(Connected relation)

若有一关系具备此三性质,则此关系即系能发生顺序者,具此关系之项,便可列成一种顺序;反之,有一顺序存在,则必可寻出一生此顺序而具备三性之关系。

在说明此题之先,我们还得写出几条解说:

(1)不可施诸本身之关系,曰示异关系(Aliorelative or be contained in or imply diversity)(原注1)如“大于”,“宽不同”,“兄弟”,“夫”,“父”等,都是示异关系;而“等于”,“同父母所生”,“爱友”等关系,则未必示异。

(2)x对于y,y对于x皆有某关系,则x对z有其平方关系(Square of a relation)。如“祖父”即“父”之平方,“多 2”即“多 1”之平方,诸如此类。

(3)关系之本方(The domain of a relation)(或云关系界)即一切对于他项有此关系之项所组成之类,关系之对方(The converse domain)(或云被关系界)即他项对之有此关系之一切项所组成之类。此二义前已言之,此处重叙,所以为下一届说之预备:——

(4)关系之本方与对方,合之为关系场(The field of a relation)。

(5)若有彼此两国关系,无论何时有此关系即必有彼关系,则称此关系包含(Contain or be impliedby)彼关系。

由以上各界说,可知偏称关系,就是一个“其平方示异”的关系。偏称关系虽常示异,但是异关系却往往并不偏称。譬如伉俪关系仅示异而不偏称,因x是y的伉俪,则y也是x的伉俪。然在传递关系中,则偏称者固无不示异,示异者也无不偏称。

由界说,知传递关系,就是关系之包含其平方关系者。祖宗之祖宗仍为祖宗,故祖宗为传递关系;父之父非父,故父非传递关系。传递的示异关系,就是关系之包含平方且示异者;换言之,一关系之平方包含该关系且示异者,曰传递示异关系——因传递关系之际异,与偏称效力相等。

在关系场内任取不同两项x及y,若x对y或y对x有此关系,(在偏称关系虽不能两者均可成立,但对于对称关系之两者同时成立也在所不惜)则称该关系为结合关系。

关系有示异且传递而不结合者,祖宗关系便是一例;因祖宗关系非结合,所以不足凭他来将人类列为一。

关系有传递且结合而不示异或偏称者,如“小于或等于”之关系之在数中便是。

关系有示异且结合而不传递者,如“大于或小于”在数中便是;因设x大于或小于y,y大于或小于z,但x与z未尝不可为同一数。

由此看来,关系之三性,(1)示异,(2)传递,(3)结合,完全是独立不相依赖的,可任有其二而缺其一。

故举隶属关系之界说如下:

关系之际异,传递且结合者曰“属关系”(Serial relation);或以相等之语表之曰:关系之偏称传递而且结合者曰隶属关系。

(Series)即隶属关系。(Serial relation)。

或者有人以为隶就是隶属关系之场(Field),不是隶属关系本身。这种思想,乃是一种错误,譬如:

1,2,3;1,3,2;2,3,1;2,1,3;3,1,2;3,2,1;六个不同的数,关系是一样的。假如场算做,那就同一场祇有一隶了。六隶之分,只在六种顺序关系,每关系作成一隶。顺序关系定,则场与隶皆定。故顺序关系可取以为隶,而场则否。

设P为任意一隶属关系,若x对于y有关系P,则称在此关系上“x前于y”,或简写为“xPy”。p为隶属于关系,其所必须而且充分之三种性质是:

(1)xPx不能成立;即任何项不能前于其本身。

(2)P 2 包含P;即x前于y,y前于z,则x前于z。

(3)若x,y为场中任意两项,则xPy或yPx;即二者必一前一后也。

读者不难相信,在顺序关系里如发现这三种性质,则我们心目中所希冀的属性也必发现。反之,发现之特性,也必发现这三种性质。所以我们以上列三种性质做或顺序的界说,并无不合。并且这届说,是用纯粹逻辑的名词所定,也是可注意的。

有了一个,必定找得出一个传递,偏称,而且结合的关系,但找得的关系,未必便是那一望而自然认定为发生此之关系。我们可拿自然数来说明。我们看自然数时,心里所认定的关系,只有那一个连一个的比邻关系,换句话说,就是那比邻两整数间的关系。这个关系,仅偏称而不传递,也不结合。但从此关系,可用算学归纳法推出一个我们以前讲过的“先宗”关系来。这个先宗关系在归纳数内,和“等于或小于”关系是一样的。现在以发生自然数为目的,但取“小于”不要“等于”。“小于”就是当m为n之先宗而与n不同时m对于n之关系,或以相等语表之,当m之继数为n之先宗时(先宗的意义仍如前,归纳数可为自己之先宗)m对于n之关系。换言之,则有以下之界说:——

若归纳数m之继数所有之遗传性,归纳数n皆有之,则称m小于n。

由此易知且不难证明这样世界说的“小于”关系是偏称的,传递的,结合的,并且是以归纳数为其关系场的。用这个关系,归纳数才有了与我们界说意义相同的顺序,这顺序,就是寻常所谓自然顺序或大小顺序。

由n对n+1 这一类的关系可以发生,是很普通的方法。如英国累代帝王是一,是由每王对于嗣王的关系发生的。拿这种方法推想之发生,只要可用,大概总是顶容易的了。借这方法,我们可以由一个而推及其次一个(祇要有次一个),或由一个而推及其前一个(祇要有前一个)。这种方法,须用那普遍一种的算学归纳法,然后我们在这样生出的里,才能下“较前”以及“较后”的定义。现在仿“真分数”(不得为整数)之义,另立“真后裔”一名:“x对之有R关系之某项”之R后裔,曰x因R关系而生之真后裔。(某项之后裔一名,仍如前包括该项之本身,而真后裔则否)。故界说曰:——

一项x因R而生之真后裔(Proper prosterity)者,具有“x对之有R关系之各项”之各R遗传性之项全体组合之类也。

所以必须这样定界说者,为的是使他不但x祇对一项有R关系时可用,便是x对许多项有R关系时(例如父与子)也可用。故又界说曰:

若y属于x因R而生之真后裔,则称x为y之真先宗(Proper ancestor)。

以后为便利计,往往用“R先宗”,“R后裔”,“真R先宗,”“真R后裔”等简写法。

现在再论以此邻两项间R关系发生这问题,可知要想这个方法可能,则“真R先宗”那关系,必须示异,传递,而且结合。但是在若何情形之下“真R先宗”关系才能示异,传递,而且结合呢?这关系是无时不传递的:无论R是一种什么关系“R先宗”与“真R先宗”都常是传递的。但只有在某某条件之下,他才能结合或示异。譬如十二人围圆桌而坐,拿每人对于左邻的关系算作R。那么,一人的真R后裔,乃是自右至左绕桌过云所能到达的人。这把环桌的人全包在内,就是本人自己也在其内了,因为走十二步就到了起点的缘故。在这种地方,真R先宗虽然是结合并且R本身也示异,我们不能得出来,因“真R先宗”并不示异。因为这个缘故,所以我们不能说一个人在“在右”关系上,或是在由“在右”关系推出之“先宗”关系上,居于又一人之前。

以上举了一个先宗关系结合而不示异的例。至于示异而不结合的例,也可从“祖宗”一语寻常的意义上得出一个来。若x为y之祖宗,x与y诚然必非一人;然任举二人,其间却未必即有祖宗关系。这不是教学改革而不结合吗?

在如何情形之下,由比邻关系推出之先宗关系能发生,这个问题很重要。现在略举要紧的例如下:设R为多对一的关系(如父母对于长子之关系),试专就某项x之“R后裔”范围以内之项论之。这样一限制,“真R先宗”关系自然是结合的;至于求他是属的关系,那便祇靠他能够示异了。这是就上面圆桌的例推广来说的。还有一个推广说法:关系R是一对一的,所取之范围,兼有x之先宗及后裔;那么,发生唯一的条件,也就只是“真R先宗”关系示异。

以比邻关系发生,这方法在其本身满园以内固很重要,但还不如以传递关系定顺序的界说,其方法较为普遍。往往有的,任择两项相距无论如何之近,中间仍有无穷项。试以按大小顺序而排列之分数为例。任意两分数之间常有他分数——例如两分数之算术均数,两项间既常有他项,所以中不能有比邻项。我们如果定要靠比邻关系界说顺序,那么分数上的大小顺序便不能界说。其实分数中较大及较小关系,本不需由比邻关系而生,分数里较大及较小关系,本已具备偏称,传递及结合三种性质。在这些地方,必须用传递的关系界说顺序,因为唯有传递关系,能越得过中间无穷的项。用比邻关系的方法,也好像用数法求一团之数似的,只可备有穷项之用;有时候全项数虽无穷,而两项间项数有穷,也用得着;但是这方法,总不可视为普遍。不但这层,以前因认比邻为通法而生的一切谬想,都要划除尽净。否则遇着无相邻项目,就困难糊涂了。并且这种,在研究连续性,空间,时间,以及运动时,还非常重要。

发生的方法很多,但是都非寻出或构成一个偏称,传递而且结合的关系不可。其中有些方法很重要。现在拿一个“三项关系”(Three term relation)——“介乎”——来说明隶之发生。这个方法,在几何学很有用,并可以做论多项关系的引导;最妙即以浅近几何为例来说明。

在寻常空间内一直线上任取三点,必有一点介乎他两点之间。如果三点在一个加油或闭曲线上,这个“介乎”(Between)关系,不能存在,因为我们可以从一点起,沿圆而行,达于他点,不经过第三点。实在讲,“介乎”这个观念,完全是“开展”(Open series)——或是狭义——的特性,与“循环”(Cyclic series)(如前所论圆桌)的性质相反,循环上走若干路程,终又回到起点之时。这个“介乎”观念,可用作寻常几何之基础概念;但是我们现在仅论这观念在一直线及其在一直线上点之顺序之应用(原注 2)任取两点a,b,则直线(ab)除含a及b外,含下列三部分:

(1)点之介乎a与b间者。

(2)诸x点,a介乎x与b间。

(3)诸y点,b介乎y与a间。

故直线(ab),可以“介乎”关系界说之。

欲用“介乎”关系,将直线上之点由左而右顺次列之,需用下列诸假设(Assumptions):——(1)若有介乎a与b之间者,则a与b不相同。

(2)介乎a与b间者,必介乎b与a间。

(3)介乎a与b间者,与a不相同。(由此及(2)推之,可知也与b不同)

(4)若x介乎a与b间,则介乎a与x间者,也介乎a与b间。

(5)若x介乎a与b间,而b介乎x与y间,则b介乎a与y间。

(6)若x及y皆介乎a与b间,则x或与y相同,或介乎a与y间,或介乎b与y间,(三者必居其一)。

(7)若b介乎a与x间又介乎a与y间,则或x与y相同,或x介乎b与y间,或y介乎b与x间,(三者必居其一)。

上列七性质,适合于寻常空间内一直线上之点,这是很明白的。凡能适用此七性质之三项关系,都能发生,看下面的解说自然知道。a,b,两点可以说a在b左,或b在a左,为求说明上固定起见,暂定a在b左。由是组成(ab)直线之点有五部分。(1)其本身与b之间有a存焉者——名之日在a左之点,(2)a,(3)介乎a与b间者——名之日在a右b左之点,(4)b,(5)其本身与a之间有b存焉者——名之日在b右之点。对于一直线(ab)上二点x,y我们可以一般的界说其在左之关系:有下列七种情形之一,则称“x在y左”:

(1)x及y皆在a左,而y介乎x与a间;

(2)x在a左,而y或为a,或为b,或介乎a与b间,或在b右。

(3)x为a,而y介乎a与B间,或为b,或在b右;

(4)x及y皆介乎a与b间,而y介乎x与b间;

(5)x介乎a与b间,而y为b,或在b右;

(6)x为b,而y在b右;

(7)x及y皆在b右,而x介乎b与y间。

由以上说法看起来,从我们所定三项关系“介乎”之七种性质,可以推断所界说的“在左”关系,乃是合于我们之界说的一种属关系。还有一种很重要的事须注意的,我们的界说和论证,虽然用了“介乎”这个字,却不必须有寻常空间里那种“介乎”的意义——随便那一个三项关系,祇要有了那七个纯粹形式的性质,都可以取而代之,并且是一样的能达到论证的目的。

循环顺序,(例如圆上各点之顺序)不能用三项关系发生。须另用一种“四项关系”名为“双双离间”。(Separation of couples)。试以环游世界为例论之。从英伦到新西兰,打苏伊士过也行,打旧金山过也行;但是不能说苏伊士或旧金山介乎英伦与新西兰之间。若有人周行世界,经这四处,那么不管他怎样走法,他在英伦及新西兰的时间,必为在苏伊士及旧金山的时间离开了,在苏伊士及旧金山的时间,也为在英伦及新西兰的时间隔开了。就一般言之,在一圆上取四点,用一定的方法分为丙双a与b,以及x与y,令由a至b必经过x或y,由x至y也必经过a或b,像这种情形,我们就说(a,b)为(x,y)“离间”。从这个“离间”关系,可以发生循环顺序,也好像从“介乎”关系发生开展似的,不过比较繁琐些罢了。(原注 3)

本章后半之目的,在提一个论题,其名可以叫做“属关系之发生”。(Generation of serial relations),隶属关系有了界说之后,由别的仅具有属性质一部分的关系而求出隶属关系,其方法也很重要,在几何哲学及物理哲学更重要。但是在本书范围以内,我们除令读者知道有这个论题以外,不能作详细的讨论。

(原注 1)这名词是C.S. Pierce造的。

(原注 2)参看Rivista di Matematica,Ⅳ pp.55 ff;Principles of Mathematics, p. 394(∮375)。

(原注 3)参看Principles of Mathematics p.205(∮194)以及同处所参引。 YUpIAFLir9AZZSFCwQPGdf9fCVmCdZGr/9negg824P5G+j56tD+iLJFQVvyzTl2V

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