home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Eagles Nest BBS 5 / Eagles_Nest_Mac_Collection_Disc_5.TOAST / Other Non-Macintosh Text / CountTheorem / count.TXT
Text File  |  1994-04-13  |  48KB  |  940 lines

  1.  
  2.             A RECONSIDERATION OF THE DIAGONALIZATION THEOREM
  3.  
  4.                                   by
  5.                             R. Webster Kehr
  6.                           Sprint Corporation
  7.  
  8.  
  9. (c) Copyright March 24, 1994 by R. Webster Kehr, All Rights Reserved.
  10.     This paper *may* be freely photocopied and/or electronically
  11.     transmitted if and only if it is photocopied/transmitted in its
  12.     entirety.  No fee or royalty is requested.  However, no part
  13.     of this paper may be published in a magazine or other periodical
  14.     without written permission of the copyright owner.  This paper may
  15.     be retyped as long as this copyright notice is included.
  16.  
  17.  
  18. ASCII notations used in this paper:
  19.  
  20. N/o        Aleph Naught or Aleph Null, the cardinality of the counting
  21.            or natural numbers.
  22. [n]        The set of all counting number from 1 to n, meaning
  23.            {1, 2, 3, 4, ..., n-1, n}.
  24. Set R+     The set of all terminating decimals in R.
  25. Set Rnt    The set of all non-terminating decimals in R, meaning all
  26.            non-terminating rational numbers, all algebraic irrational
  27.            numbers and all transcendental irrational numbers.
  28.  
  29. Other notations will be defined as they are introduced.
  30.  
  31.      In 1873 Georg Cantor published the first proof that the real numbers
  32. were uncountable.  Since then there have been many other proofs of this
  33. concept.  Cantor himself came out with his famous Diagonalization Theorem
  34. in 1891, upon which the theorems of many other mathematicians have re-
  35. lied.  Other proofs of R's uncountability have also been developed using
  36. a variety of different approaches.  This paper will deal mainly with the
  37. Diagonalization Theorem, but will discuss more general approaches as
  38. well.
  39.  
  40.      In this paper two major theorems about the counting numbers (a.k.a.
  41. positive integers, natural numbers, positive whole real numbers, etc.),
  42. defined as Set A, will be proven.  These theorems are vital to understand
  43. in any discussion of the Diagonalization Theorem.
  44.  
  45.  
  46. SECTION 1)  TWO THEOREMS ABOUT THE NATURE OF THE COUNTING NUMBERS
  47.  
  48. Introduction to Theorem #1:
  49.  
  50.      In this paper the term "countable" means "infinite and countable." 
  51. Sometimes the latter phrase will be used to add emphasis.
  52.  
  53. DEFINITIONS:  The "width" of a number and the "width" of a set.
  54.  
  55.      The "width" of a single number is a subset of the counting numbers
  56. (not necessarily proper), always beginning with the number 1, which maps
  57. to the significant digits in that number.  For example, the number:
  58. 753.056109 has 9 significant digits in it.  The "width" or "width set" of
  59. this number is therefore: {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} or [9].  In es-
  60. sence, the counting numbers are being mapped to the significant digit po-
  61. sitions, or indexed significant digit positions of the number.  The
  62. "width" can be thought of as a set of indexes, but they are technically a
  63. *set* of counting numbers, nevertheless.  As another example, the width
  64. of pi is {1, 2, 3, 4, ...}, the set of all counting numbers.
  65.  
  66.      The "width" of a *set* (i.e. the original set is called the "parent"
  67. set) is a subset of counting numbers (not necessarily proper), beginning
  68. with the number 1, which maps to the significant digit positions of the
  69. element of the set with the maximum width.  In other words, it is the set
  70. of counting numbers from 1 to the supremum of the set of cardinalities of
  71. the widths of the elements of the set.  If the supremum is n, the width
  72. set is [n].
  73.  
  74.      For example, consider the following set (the second column repre-
  75. sents the cardinality of the width of that element):
  76.  
  77.           1,543,123.30000000000000...        8
  78.             789,321.40000000000000...        7
  79.                 109.00000000000300...       15
  80.              42,109.32000000000000...        7
  81.  
  82.      The cardinality of the above set is 4 (i.e. it has 4 elements), but
  83. the cardinality of the width (set) of the above set is 15 (i.e. the
  84. supremum of the set of cardinalities of widths).  The width of the above
  85. set is therefore [15].  The cardinality of a parent set may be less than,
  86. equal to, or greater than the cardinality of its width (set).
  87.  
  88.      For infinite sets of numbers the width of the set is the set of
  89. *all* counting numbers (this will be proven below).  This would make the
  90. cardinality of the width of the set countable, meaning the cardinality of
  91. the width set is N/o, and the width itself is [N/o].
  92.  
  93.      It is important to understand that in this paper theorems regarding
  94. cardinality are based on two different types of sets.  The cardinality of
  95. a set is the number of elements in the set.  The cardinality of the width
  96. of a set is the cardinality of the subset of counting numbers which make
  97. up the width of the set.  If the meaning is clear from the context, the
  98. term "width" of a set will also be used to mean "the cardinality of the
  99. width of a set."  This is reasonable because calculating the width set of
  100. a set and calculating the cardinality of the width set of a set are re-
  101. ally the same thing.  The term "width" of a set implies the "cardinality
  102. of the width set."
  103.  
  104.      Applying standard cardinality rules to (the cardinality of) width
  105. sets yields vital information about the cardinality of parent sets, espe-
  106. cially when dealing with infinite sets, as will soon be seen.
  107.  
  108. A Note On Permutations:
  109.  
  110.      Before proceeding a note needs to be made about the representation
  111. of the terminating decimals.  Let Set R+ be the set of all terminating
  112. decimals in R.  Let Set R+ (0,1) be the set of all terminating decimals
  113. in R (0,1).  For any finite width, n, Set R+ (0,1) contains all permuta-
  114. tions of n digits drawn from the set of characters {0, 1, 2, ..., 9}.  In
  115. other words, take any width, n; for the subset of Set R+ (0,1) of all el-
  116. ements with a width of n or less (since terminating zeros are not
  117. significant, elements with less than a width of n need to be included),
  118. the cardinality of this subset will be 10 ^ n.
  119.  
  120.      For example, consider the cardinality of the subset of Set R+ (0,1)
  121. with less than or equal to 1,000,000 digits.  This subset of Set R+ (0,1)
  122. would contain all permutations of 1,000,000 digits drawn from the set {0,
  123. 1, 2, ... , 9}.  This set would have a cardinality of 10 ^ 1,000,000 and
  124. would include all elements of Set R+ (0,1) with less than or equal to
  125. 1,000,000 digits.
  126.  
  127.      If terminating zeros *to width n only* were significant, the cardin-
  128. ality of Set R+ (0,1), for elements which had *exactly* a width of n,
  129. would also be 10 ^ 1,000,000.  In other words, the cardinality of Set R+
  130. to a width of n is equal when considering two different cases; case 1: if
  131. terminating zeros are not significant, then elements of the set with less
  132. than a width of n need to be included, and case 2: if terminating zeros,
  133. to width n, are significant, then *all* elements of the set with less
  134. than a width of n need to be excluded.  It should be obvious why these
  135. two representations have the same cardinality.  It is important to remem-
  136. ber that both cases have equal cardinality.
  137.  
  138. Permutations and Binary Trees:
  139.  
  140.      For a moment, let's think about binary trees.  The non-terminating
  141. decimals, in base 2 of course, between 0 and 1, can be thought of as
  142. non-terminating "paths" on a binary tree, where the trunk position of the
  143. tree represents a decimal point and each subsequent level of branches
  144. represents a digit position of a base 2 number.  Each non-terminating
  145. number is represented by a non-terminating path along the binary tree. 
  146. For example, a non-terminating decimal might be represented by
  147. .1001001111001101 and so on.  Each digit is mapped to a different level
  148. of branches after the trunk and the consecutive digits can be thought of
  149. as paths up the branches of the tree.
  150.  
  151.      Consider a binary tree for terminating decimals similarly con-
  152. structed.  In this case, each branch represents a different number and a
  153. path to that number (considering terminating zeros to that branch as sig-
  154. nificant for a moment).  For any digit position, n, the terminating
  155. decimals in that layer only of the binary tree represent all possible
  156. paths, terminating or non-terminating, *to that level*.
  157.  
  158.      The point to this discussion is that if the terminating decimals are
  159. compared to the set of non-terminating paths, to the same width, the car-
  160. dinality of both the terminating decimals and the cardinality of the
  161. non-terminating paths, to the same width or level, are identical.
  162.  
  163.      Returning to base 10, another question can arise, for Set R+ (0,1). 
  164. Set R+ (0,1) is technically not a complete set of permutations (because
  165. terminating zeros are not significant).  Suppose the terminating zeros to
  166. *every* width achieved by the nonzero digits were *significant*, would
  167. Set R+ (0,1) still be countable?  Noting Cantor's proof that the rational
  168. numbers are countable, the obvious answer is yes.  In Cantor's proof, no
  169. fractions were reduced into their simplest form.  For example, the
  170. number:  64000000/100000000 was counted, even though its decimal expan-
  171. sion:
  172. .64000000 has only two significant digits.
  173.  
  174.      As another proof of this concept, consider a third binary tree for
  175. the counting numbers where the trunk represents the number 1 instead of a
  176. decimal point.  For such a tree terminating zeros are significant.  This
  177. obviously represents a countable tree and it is easy to map the counting
  178. numbers, for any width n, to the terminating decimals to the same width,
  179. even if terminating zeros to that width are significant for the terminat-
  180. ing decimal tree.  Simply overlay the two binary trees.
  181.  
  182.  
  183. Note:  While the proof of the theorem about to be mentioned may seem
  184. trivial to the reader, the proof should be studied anyway, the proof is
  185. here to introduce valuable concepts.
  186.  
  187. Theorem #1:  The width of the counting numbers and the Set R+ (0,1), 
  188.              *considering only significant digits*, are both aleph
  189.              naught (in this case, of course, "width" refers to the
  190.              set of all counting numbers)
  191.  
  192. Proof:
  193.  
  194.      If you count the infinite nonsignificant terminating zeros behind
  195. the significant digits of each element of Set R+ (0,1), such a set obvi-
  196. ously has an infinite width.  But this theorem ignores the nonsignificant
  197. terminating zeros and states that the width of both the counting numbers
  198. and Set R+ (0,1) are both infinite and countable, considering *only* sig-
  199. nificant digits.  Throughout the rest of this paper *only* significant
  200. digits of the elements of Set R+ will be considered, unless otherwise
  201. noted.  This means that only the number of digits from the decimal point
  202. to the last nonzero digit will be counted as far as the width of Set R+
  203. is concerned.
  204.  
  205.      Let's define four sets:  Let Set A be the set of all counting num-
  206. bers.  Let Set A5 be the subset of Set A defined thusly: all elements of
  207. Set A which have only 5s as digits.  Let Set R+ (0,1) be defined as
  208. above.  Let Set R5 be the subset of Set R+ (0,1) defined thusly: all el-
  209. ements of Set R+ (0,1) which have only 5s as digits.  Now consider the
  210. following double mapping - Set A ==> Set A5 ==> Set R5:
  211.  
  212.           Set A               Set A5              Set R5
  213.  
  214.           1                   5                   .5
  215.           2                   55                  .55
  216.           3                   555                 .555
  217.           4                   5555                .5555
  218.           5                   55555               .55555
  219.           6                   555555              .555555
  220.           and so on.
  221.  
  222.      Note that at all times, the nth element of Sets A5 and R5 have a
  223. width of n.  For example, the 5,000th element of Set A5 has 5,000 5s in
  224. it.  Its width set would therefore be = {1, 2, 3, ..., 4999, 5000}.  The
  225. 5000th element of Set R5 has a decimal followed by 5000 5s.  Its width is
  226. also the first 5000 counting numbers.
  227.  
  228.      Now suppose we did not know the cardinality of Set A5 or Set R5.  We
  229. would know this:  whatever the cardinality of Set A5 is, it is equal to
  230. the cardinality of the width (set) of Set A5.  For example, if the
  231. cardinality of Set A5 is 5 billion, then the cardinality of the width of
  232. Set A5 is 5 billion.  Similarly for Set R5.
  233.  
  234.      Suppose the cardinality of Set A5 was not infinite, but was bounded
  235. by the number 555...555, where the number of 5s represented by the three
  236. dots is finite.  This would mean that the counting numbers *must end be-
  237. fore* 555...5555, or else this element would be an element of Set A and
  238. therefore an element of Set A5.  That 555...5555 would be finite is a
  239. contradiction, because Set A never ends.  To put it another way, if
  240. 555...555 is a finite number, then obviously 555...5555 is also a finite
  241. number, and this would force the counting numbers to end before a finite
  242. number.
  243.  
  244.      The cardinality of Set A5 is aleph naught, therefore its width is
  245. also aleph naught, because its cardinality and (cardinality of) width are
  246. always equal.  The width of Set A cannot be less than the width of Set
  247. A5, a subset, therefore the width of Set A is also aleph naught.
  248.  
  249.      For Set R5, suppose there is a bound to the number of digit posi-
  250. tions in Set R5, say it is bound by .555...555, where the number of 5s
  251. represented by the three dots was finite.  Then clearly the terminating
  252. decimals would be finite.  They must end before .555...5555.  Let's say
  253. the number of digits in this number was 1 billion, for example.  Then the
  254. cardinality of the terminating decimals would be less than 10 ^ 1 billion
  255. (this is the total number of permutations of 1 billion digits from a set
  256. of 10 characters, as was discussed above).  This is a finite number, but
  257. it is well known that the number of terminating decimals is infinite. 
  258. There is therefore a contradiction.  The width of Set R+ (0,1) cannot be
  259. less than the width of one of its subsets, therefore Set R+ (0,1) has a
  260. width of aleph naught.
  261.  
  262.      Finally, it is necessary to prove that neither set is uncountable. 
  263. We know Set A5 is not uncountable because it is a subset of the counting
  264. numbers.  Likewise, the cardinality of Set R5 cannot become uncountable
  265. because it is a subset of both Set R+ and Set R+ (0,1), which are count-
  266. able.  This also proves that the *widths* of Set A5 and Set R5 are not
  267. uncountable, because their cardinality and width are equal.
  268.  
  269.   Q.E.D.
  270.  
  271. Corollary:  Every infinite set of numbers has an infinite width of
  272.             significant digit positions.
  273.  
  274.      Suppose an infinite set had a finite width, say w.  10 ^ w is the
  275. number of permutations of w digits from a set of 10 characters.  If w is
  276. finite, so is 10 ^ w.  The cardinality of the set cannot exceed this num-
  277. ber, but can be less, which means the cardinality of the set is finite,
  278. which is a contradiction to the assumption.   Q.E.D.
  279.  
  280.      It may seem strange that the corollary is more general than the
  281. theorem, but it is vital that the reader understand Sets A5 and R5.
  282.  
  283.      Note that saying the width of Sets A5 and R5 are countable means
  284. there is no bound to the number of *significant* digits in the *set* of
  285. terminating decimals.  In other words, there is no single digit position,
  286. among the set of all countable digit positions, which is not surpassed by
  287. the width of significant digits in the *set* of terminating decimals.  If
  288. there was, then the set of terminating decimals would be finite, by a
  289. proof similar to the above proof.
  290.  
  291.      Another comment that could be made is that there is no single termi-
  292. nating decimal which is as wide as 5/9ths or pi.  The decimal expansions
  293. of 5/9th and pi are each infinite sets of digits and digit positions. 
  294. Their width is infinite, which is well known.  The fact that there is no
  295. *single* terminating decimal which has an infinite width (i.e. is as wide
  296. as an element of Set Rnt - the set of non-terminating elements of R) has
  297. led to the belief that the *width* of Set Rnt was wider than the *width*
  298. of Set R+.  This, in turn, led to the logical assumption that the *car-
  299. dinality* of Set Rnt was larger than the *cardinality* of Set R+.  But
  300. this assumption was based on an invalid comparison.
  301.  
  302.      To use well known sets as an example, there is no *single* odd num-
  303. ber which is as wide as the width of the *set* of even numbers.  The
  304. width of a single odd number is finite, by definition.  The width of the
  305. set of even numbers is infinite, by the above proof.  Knowing that there
  306. is no *single* odd number which is as wide as the *set* of even numbers
  307. might lead a person to assume that the cardinality of the even numbers
  308. was larger than the cardinality of the odd numbers.  This is not the
  309. case.  The error is that a *single* element of an infinite set is com-
  310. pared to the *end result* (i.e. meaning the totality) of another infinite
  311. set.  In fact, if both sets are looked at as infinite sets, then both the
  312. odd and even numbers have the same cardinality and width.
  313.  
  314.      Comparing a *single* element of one infinite set to the *totality*
  315. of another infinite set is meaningless.  The *end result* of both sets
  316. need to be compared to each other.  In the case with 5/9ths and pi, the
  317. end result of the width of both 5/9ths and pi are countable sets of digit
  318. positions, but the *end result* of the width of the *set*, Set R5, is
  319. also infinite and countable.  The end result of both processes are equal
  320. because there do not exist two different definitions for a countable set,
  321. nor should there be two different definitions.  This means that there is
  322. no digit position in 5/9 or pi which is not achieved by an element of Set
  323. R+.  More will be said about this below.
  324.  
  325.      This concludes the discussion on Theorem #1 for now.
  326.  
  327. Introduction to Theorem #2:
  328.  
  329.      All mathematicians know that the counting numbers can be split into
  330. many mutually exclusive subsets, each of which is infinite and countable. 
  331. For example, the odd and even numbers are both subsets of the counting
  332. numbers, but both sets have the same cardinality as the counting numbers. 
  333. Cantor defined such a phenomenon to be very definition of an "infinite
  334. set."
  335.  
  336.      This simple example points out that proving things in infinite space
  337. is quite different than proving things in finite space.  In infinite
  338. space, O + E = C, where all three numbers are greater than zero and equal
  339. (cardinalities)
  340.   (O = Odd numbers, E = Even numbers, C = Counting numbers).
  341. In infinite space, mappings and equivalent techniques are the determiners
  342. of cardinality, not quantifiable finite numbers that can be added and
  343. subtracted.  As another example, is this statement true?
  344.  
  345.      for all x > 0, x/1,000,000,000 < x
  346.  
  347.      Actually, the statement is true if x is finite, but false if x is
  348. transfinite.  For example, consider this simple mapping:
  349.  
  350.      1         1112223334441
  351.      2         1112223334442
  352.      3         1112223334443
  353.      4         1112223334444
  354.      5         1112223334445
  355.      6         1112223334446
  356.  
  357.      ...
  358.  
  359.      987       111222333444987
  360.      988       111222333444988
  361.      989       111222333444989
  362.  
  363.      and so on.
  364.  
  365.      Note that the above mapping concatenates a string of numbers
  366. '111222333444' to the beginning of each element of the counting numbers. 
  367. The set on the right represents a 'small' subset of the counting numbers
  368. (i.e. the subset of the counting numbers which have 111222333444 as their
  369. initial 12 digits), but yet it is mapped to by the counting numbers, so
  370. it is therefore infinite and countable.  By using different concatenating
  371. strings, literally billions or trillions of mutually exclusive countable
  372. subsets can be extracted from a single countable set, and each set has
  373. the complete cardinality of the counting numbers!  The above relation,
  374.  
  375.      x/1,000,000,000 < x  is therefore false if x is transfinite.
  376.  
  377. Theorem #2:  An infinite number of mutually exclusive (i.e. pairwise
  378.              disjoint) countable sets can be extracted from a single
  379.              countable set, and each of these countable sets can be
  380.              individually mapped to other sets.
  381.  
  382. Proof:
  383.  
  384. The counting numbers themselves will be used to prove this theorem.
  385.  
  386. Let the 1st of these infinite sets be defined by the following series
  387. (the third column below will be discussed below):
  388.  
  389. First: Set 12
  390.  
  391.      1         12                                 2
  392.      2         1212                               4
  393.      3         121212                             6
  394.      4         12121212                           8
  395.      5         1212121212                         10
  396.      and so on.
  397.  
  398. Let the 2nd of these infinite sets be defined by the following series:
  399.  
  400. Second: Set 122
  401.  
  402.      1         122                                3
  403.      2         122122                             6
  404.      3         122122122                          9
  405.      4         122122122122                       12
  406.      5         122122122122122                    15
  407.      and so on.
  408.  
  409. Let the 3rd of these infinite sets be defined by the following series:
  410.  
  411. Third: Set 1222
  412.  
  413.      1         1222                               4
  414.      2         12221222                           8
  415.      3         122212221222                       12
  416.      4         1222122212221222                   16
  417.      5         12221222122212221222               20
  418.      and so on.
  419.  
  420.      This process can go on forever, where the first element of the nth
  421. series is the number 1, followed by n 2s.  The numbers in the third col-
  422. umn deals with the width of each element.  These numbers demonstrate that
  423. no element of any of the above sets ever obtains an uncountable width and
  424. are therefore elements of Set A.
  425.  
  426.      That each of these sets can act as its own countable set for mapping
  427. purposes is established by the *left* column of each of the above series. 
  428. The left column above are counting numbers being mapped to elements of
  429. the various series.  These sets of counting numbers can be used as
  430. 'proxy' elements for the elements in the *middle* column for mapping pur-
  431. poses, if desired to help keep track of the mappings.  In other words,
  432. *each subset* above independently qualifies as a mapping cycle to map to
  433. the real numbers or any other set.
  434.  
  435.   Q.E.D.
  436.  
  437.      The fact that any countable set can be broken down into an infinite
  438. number of mutually exclusive countable sets is a *basic characteristic*
  439. of the counting numbers.  By comparison, it is a basic characteristic of
  440. the real numbers that the non-terminating numbers have an infinite and
  441. countable width.  Therefore a proof designed to prove some fact about R
  442. which only used three decimal positions for each real numbers would be
  443. rejected because the proof failed to comply with the basic characteris-
  444. tics of the real numbers.
  445.  
  446.      Similarly, for someone to prove that R is *uncountable* by using
  447. only one cycle of a countable set in the proof violates a major basic
  448. characteristic of the counting numbers, namely, any countable set can be
  449. split up into an infinite number of mutually exclusive countable sets,
  450. each of which qualifies for a mapping cycle.
  451.  
  452.      The obvious argument comes up: "If a set is countable, can't it be
  453. *put back together* into one cycle of counting numbers."  Whether it can
  454. or can't is irrelevant, it is an invalid way of proving theorems to sim-
  455. ply dictate restrictive rules or invalid constraints for *any* element of
  456. the proof!
  457.  
  458.  
  459. SECTION 2)  NECESSARY ELEMENTS IN ANY PROOF THAT R IS UNCOUNTABLE
  460.  
  461.      This subject has already been discussed to a small degree, but this
  462. section will expand of this subject and cover more general proofs regard-
  463. ing the countability or uncountability or R.
  464.  
  465. 1)   Any valid proof that R is uncountable must take into account that
  466. the width of Set R+ is [N/o].
  467.  
  468.      This was discussed above.  This issue will be discussed in more de-
  469. tail later in this paper.
  470.  
  471. 2)   Any valid proof that R is uncountable must take into account the ba-
  472. sic characteristic that a single countable set can be split into an infi-
  473. nite number of mutually exclusive countable sets, each of which qualifies
  474. for its own mapping cycle.
  475.  
  476.      This was demonstrated above.  The Diagonalization Theorem fails in
  477. this regard, it only uses one mapping cycle.  This will be discussed be-
  478. low.
  479.  
  480. 3)   If R is uncountable, then for *each and every* terminating decimal
  481. there must exist an uncountable number of non-terminating numbers.
  482.  
  483.      Cantor has shown that a countable number of countable sets is count-
  484. able (this is why proving R (0,1) is countable or uncountable is
  485. equivalent to proving the same thing for all of R, because R is balanced
  486. relative to its units - meaning each unit's subset has the same
  487. cardinality).  Cantor has also shown that the rational numbers are count-
  488. able, which obviously means Set R+ is countable.  Since there are a
  489. countable number of terminating decimals in R, if there were only a
  490. countable number of non-terminating numbers associated with *each and ev-
  491. ery* terminating decimal, then R would be countable.  Therefore, there
  492. must be at least one terminating decimal to which an uncountable number
  493. of non-terminating numbers are associated.
  494.  
  495.     The elements of the set R (0,1), in base 2, can be thought of as
  496. paths on an infinitely wide binary tree, as was mentioned above.  A bi-
  497. nary tree is balanced by its permutation-based construction.  In order
  498. for R to be uncountable, the binary tree must have an uncountable number
  499. of paths.  By the nature of the binary tree, each path which terminates
  500. on the tree (i.e. branch) is *succeeded* by a binary tree equal in size
  501. to the original tree.  This means that if the original tree is uncount-
  502. able, then for each terminating decimal (i.e. terminating path or branch)
  503. there must be a succeeding tree which is uncountable, because the suc-
  504. ceeding tree is equal in size to the original tree.  This means that for
  505. *each and every* terminating decimal there would have to be an uncount-
  506. able number of associated non-terminating numbers.
  507.  
  508.      While there is a lot of redundancy in this method (i.e. every
  509. non-terminating number is counted a countable number of times, one for
  510. each branch on its path), the important thing to note is that, because
  511. the tree is balanced, there cannot be a terminating decimal which is not
  512. an initial string for only a countable number of non-terminating numbers.
  513.  
  514.      The Diagonalization Theorem finds one new number which symbolically
  515. represents an uncountable number of other new numbers.  This particular
  516. item is properly accounted for in the Diagonalization Theorem.
  517.  
  518. 4)   In any proof that R is uncountable, there must be a clear delinea-
  519. tion between the rational and irrational numbers or between the terminat-
  520. ing decimals and non-terminating decimals.
  521.  
  522.      There are a number of proofs of the uncountability of R which make
  523. no distinction between rational and irrational numbers.  In other words,
  524. a typical proof mentions the real numbers, but makes no distinction be-
  525. tween the rational and irrational numbers, which make up the real num-
  526. bers.  Generally, when this happens, the proof technique can be reapplied
  527. using just the rational numbers (ignoring the irrational numbers) to
  528. prove that the rational numbers are uncountable, which would be a contra-
  529. diction and an invalidation of the proof.
  530.  
  531. 5)   Proofs of the uncountability of R cannot create a race between two
  532. infinite sets and declare a winner of the race.
  533.  
  534.      Which set is larger, the odd or even numbers?  It two people were to
  535. debate that issue, going back and forth, a race between two infinite sets
  536. would ensue, and for either person to declare victory would be an error. 
  537. The Diagonalization Theorem creates such a race.  The race is between the
  538. width of the initial segments of the new non-terminating number as it is
  539. built, and an infinite set of terminating decimals which map to *each*
  540. initial segment of the new number as it is created, from among mapping
  541. not yet eliminated.  A full discussion of this issue is beyond the scope
  542. of this short paper, but can be found in the long paper mentioned at the
  543. end of this paper.
  544.  
  545. 6)   Proofs of the uncountability of R cannot place an invalid constraint
  546. on any set under discussion.
  547.  
  548.      The Diagonalization Theorem fails this test.  This will be demon-
  549. strated below.
  550.  
  551. 7)   Any proof of the uncountability of R cannot use circular or recur-
  552. sive logic (e.g. it cannot assume there are more non-terminating than
  553. terminating numbers).
  554.  
  555.      Virtually every proof that R is uncountable includes an a priori as-
  556. sumption that there are a lot more non-terminating numbers than terminat-
  557. ing numbers.  But that is what the proof is supposed to prove, so assum-
  558. ing it is recursive logic.  Such an assumption can invalidate the proof
  559. because it assumes the proof is true, and then uses the results of the
  560. proof to prove the theorem.  The Diagonalization Theorem does not make
  561. that error.
  562.  
  563. 8)   No proof can *assume* that logic, symbols, formulas and even map-
  564. pings that are valid in finite space are also valid in infinite space.
  565.  
  566.      Any proof that R is uncountable that uses steps which seem logical
  567. in finite space may be invalid.  Any time a jump is made from finite to
  568. infinite space, the theorem must *prove* that the jump is justified by
  569. using mappings or some other infinite technique.  A word of warning (!):
  570. mappings which work in finite space do *not* necessarily work in infinite
  571. space!  Few proofs using mappings actually prove that the mappings will
  572. work in infinite space.  The counting numbers are very flexible, but fi-
  573. nite numbers are very inflexible.  The Diagonalization Theorem definitely
  574. makes this error, as will be shown below, as several other theorems do
  575. also.
  576.  
  577. 9)   Every proof that R is countable must carefully guard against the
  578. width of the non-terminating numbers becoming uncountable.
  579.  
  580.      If the width of the non-terminating numbers is allowed to become un-
  581. countable in a proof, it is obvious the cardinality of the
  582. non-terminating numbers would be uncountable.  But that is not permis-
  583. sible.  The Diagonalization Theorem appears not to fail in this regard,
  584. but since it assumes the set of non-terminating numbers are wider than
  585. the terminating decimals, it may be considered to fail this test.
  586.  
  587.  
  588. SECTION 3)  A SPECIFIC PROOF THAT THE DIAGONALIZATION THEOREM IS FALSE
  589.  
  590.      The Diagonalization Theorem starts out with an assumption.  It can
  591. be worded many ways, but I prefer the following wording:
  592.  
  593. Cantor's First Assumption:  Given two infinite sets, Sets A and B, if it
  594.                             is known that Set A is countable and it can
  595.                             be proven there does not exist a mapping from
  596.                             Set A to Set B, then Set B is uncountable.
  597.  
  598.      I agree with this assumption.  Cantor's First Assumption basically
  599. states that *if* it can be proven there does not exist a mapping from the
  600. countable set of elements to the other infinite set, then the second set
  601. is uncountable.  The rationale behind the theorem is simply that there
  602. are not two "limits" or definitions of a countable set.  Two sets that
  603. can be mapped to the counting numbers are equal in cardinality in all
  604. ways, by proxy if by no other way.
  605.  
  606.      But does the Diagonalization Theorem succeed in proving there *can-
  607. not* be a mapping from Set A to R (0,1)?  That is what we will discuss. 
  608. In the proof, the Diagonalization Technique assumes there exists an enu-
  609. meration from the counting numbers to R (0,1) and then proves there is an
  610. element, a "new number," which is not part of the enumeration or mapping. 
  611. The conclusion is that R (0,1) is uncountable because at least one el-
  612. ement was not in the mapping and the technique is repeatable to create
  613. many other "new numbers."
  614.  
  615.      While logically this is correct, the *technique* which is used to
  616. prove that "there cannot be a mapping" places an invalid restriction on
  617. Set A, as will now be discussed.  Also, Cantor's First Assumption, the
  618. stated assumption, is not really the assumption used in the proof.  The
  619. Diagonalization Theorem does *not* use a technique consistent with
  620. Cantor's First Assumption, it uses a technique and assumption which are
  621. quite different than what is stated.
  622.  
  623.      In general, mapping to a countable subset of an infinite set proves
  624. nothing about the cardinality of the original set.  For example, enumer-
  625. ating the odd numbers, a subset of the counting numbers, proves nothing
  626. about the cardinality of the counting numbers.  The way the Diagonaliza-
  627. tion Theorem (DT) gets around such an obvious error is to basically state
  628. that: "it can be proven there does not exist a mapping."
  629.  
  630.      The major question about the DT is: *does* the DT prove that there
  631. does not exist a mapping from the counting numbers to R (0,1)?  The an-
  632. swer is: *no*.  The reason is that the DT maps to a square matrix
  633. (granted, a "square" matrix in infinite space is somewhat meaningless,
  634. but the "diagonal" in the DT implies a square matrix).  In other words,
  635. the DT basically says this:
  636.  
  637. "Give me a square matrix, where there are n elements and each element has
  638. a width of n (the rows of the matrix are the set elements and the columns
  639. of the matrix are the digit positions of the elements), and I will find
  640. an element that is n digits wide which is not an element of the set."
  641.  
  642.      This is not a proof about cardinality, it is a simple paradox. 
  643. Let's analyze the DT in finite space to better understand the concepts.
  644.  
  645.      Consider the following set of 10 elements, each of which is 10 dig-
  646. its wide, a square matrix of digits.  The right column is the "new num-
  647. ber" using the following algorithm: if the nth digit of the nth element
  648. is a 5, the nth element of the new number will be a 6, otherwise the nth
  649. element will be a 5:
  650.  
  651.           1         .7867930392         .5
  652.           2         .3982176253         .55
  653.           3         .3052871672         .556
  654.           4         .5400000000         .5565
  655.           5         .6541590919         .55656
  656.           6         .8901928374         .556565
  657.           7         .2132980192         .5565655
  658.           8         .1113320992         .55656555
  659.           9         .4332113244         .556565555
  660.           10        .5432543455         .5565655556
  661.  
  662.      It is easy to verify that the new number is not in the set of 10 el-
  663. ements.  If one were to construct the set of all permutations of 10 dig-
  664. its taken from a pool of 10 characters, the cardinality of the set would
  665. be 100 (i.e. 10 ^ 10).  It is obvious that the new number would be in the
  666. set of all representations.  In finite space, the DT theorem is perfectly
  667. valid because 10 ^ n is always greater than n.  The identical technique
  668. in infinite space, however, is not valid.  Formulas and techniques that
  669. work in finite space do not necessarily work in infinite space.  This was
  670. discussed above.
  671.  
  672.      There are very important pieces missing from the proof of the DT. 
  673. One piece that is missing is that there is no proof that the technique
  674. that is used is valid in infinite space, and just as importantly, that
  675. the technique does prove that "there cannot be a mapping."  Another piece
  676. that is missing from the proof is the *real assumption* underlying the
  677. DT:
  678.  
  679. Real Assumption:  *all* countable sets can be placed in a square
  680.                   matrix format and *no* uncountable set can be placed
  681.                   in a square matrix.
  682.  
  683.      Aside from the obvious problem of defining a "square" matrix in in-
  684. finite space, the real assumption in the DT is not Cantor's First Assump-
  685. tion, it is the assumption just mentioned.  Since the technique is so im-
  686. portant to the proof, by proving that the real numbers cannot be placed
  687. into a square matrix format, the *only* possible justification for then
  688. concluding that the real numbers are uncountable is to make the assump-
  689. tion mentioned above.
  690.  
  691.      Suppose, for example, it could be proven that there were countable
  692. sets which could *not* be placed in a square matrix.  Then the DT would
  693. conclude such a set was uncountable.  Likewise, suppose it could be
  694. proven that an uncountable set could be placed in a square matrix.  If
  695. so, the DT would be invalidated.  The problem is that the DT does not
  696. *prove* the assumption underlying these two cases.  It merely makes the
  697. assumption based on the evidence in finite space.
  698.  
  699.      Clearly, in finite space it is safe to assume that the number of
  700. permutations of n digits taken from a pool of 10 characters *cannot* be
  701. put into an n x n square matrix.  One might then conclude that the total
  702. permutations of n digits is larger than n.  In finite space this is cor-
  703. rect.  In infinite space, the same assumption is made, only this time,
  704. the only thing larger than a countable set is an uncountable set, so the
  705. assumption is made that if a set cannot fit into a square matrix the set
  706. is uncountable.  The DT essentially assumes that the number of permuta-
  707. tions of N/o digits taken from a pool of 10 characters has higher cardin-
  708. ality than N/o, which means it is uncountable.  This is the basis for the
  709. real assumption.
  710.  
  711.      Also, there is no proof that the technique that is used actually
  712. proves that there *cannot* be a mapping from the counting numbers to R
  713. (0,1).  There are billions and billions of ways to attempt a mapping from
  714. the counting numbers to R (0,1).  Assuming there is only one way cannot
  715. be defended.  The counting numbers are very flexible and can be looked at
  716. in many different ways.
  717.  
  718.      While this discussion is interesting, it involves the *right* side
  719. of the mapping.  However, there are more significant problems on the
  720. *left* side of the mappings.  There is another assumption inherent in the
  721. theorem: "the counting numbers cannot map beyond a square matrix."  The
  722. left side of the assumption means that the counting numbers cannot be or-
  723. dered to extend past a single square matrix.  This is untenable.  The
  724. counting numbers themselves are "longer" than a square matrix (for ex-
  725. ample, the 1000000th counting number has a width of 7).  Even though the
  726. counting numbers are countable and their width is countable, they do not
  727. form a square matrix.  Consider the following method of breaking down Set
  728. A into subsets:
  729.  
  730. Set A.1 consists of all elements of Set A which have one significant
  731. digit position (e.g. 1, 2, 3, 4, ..., 9)
  732.  
  733. Set A.2 consists of all elements of Set A which have two significant
  734. digit positions (e.g. 10, 11, 12, ..., 99)
  735.  
  736. Set A.3 consists of all elements of Set A which have three significant
  737. digit positions (e.g. 100, 101, 102, ..., 999)
  738.  
  739. and so on.
  740.  
  741.      Taking only one element from each set can create a mapping to a
  742. square matrix.  Consider this mapping (r_n is a real number):
  743.  
  744.        5                r_1
  745.        55               r_2
  746.        555              r_3
  747.        5555             r_4
  748.        55555            r_5
  749.       and so on.
  750.  
  751.      This is the familiar Set A5 which has an infinite cardinality and an
  752. infinite width.  It, by itself, is an increasingly minuscule subset of
  753. Set A, but by itself, it can map to a square matrix, leaving the vast ma-
  754. jority of the elements of Set A still available to map!
  755.  
  756.      Using the sets created in Theorem #2, the counting numbers can be so
  757. arranged that they can map to an infinite number of square matrices:
  758.  
  759.        1         Set 12
  760.        2         Set 122
  761.        3         Set 1222
  762.        4         Set 12222
  763.        5         Set 122222
  764.       and so on.
  765.  
  766.      An infinite number of subsets of Set A can *each* map to a square
  767. matrix.  The vast majority of the elements of Set A are still unused. 
  768. The DT has major flaws on both sides of the mapping, but particularly on
  769. the left side.  Its assumptions are also not as originally stated.
  770.  
  771.  
  772.   Q.E.D.
  773.  
  774.  
  775. SECTION 4)  A PROOF THAT THE REAL NUMBERS ARE COUNTABLE
  776.  
  777. NOTE:  It was proven above that Set R+ (0,1) would be countable even if
  778. its terminating zeros, for any width being considered (namely to any
  779. width achieved by the nonzero digits), were significant.  The failure of
  780. Set R+ (0,1) to be a complete permutation is therefore irrelevant.  In
  781. fact, Set A (or Set 12 for that matter), where terminating zeros are sig-
  782. nificant, could be substituted in this proof for Set R+ (0,1) with only a
  783. minor adjustment.
  784.  
  785. NOTE:  Obviously, proving R (0,1) is countable is equivalent to proving
  786. that all of R is countable (see above).
  787.  
  788.      Let us give the width set of Set R+ a name and call it Set WR+. 
  789. Likewise let us call the width set of Set Rnt, Set WRnt.  Sets WR+ and
  790. WRnt are two sets with nothing but counting numbers in them.  We have al-
  791. ready established that the width set of Set R+ is infinite and countable;
  792. Set WR+ consists of the set {1, 2, 3, 4, ...}, namely, all counting num-
  793. bers.  Since each and every element of Set Rnt has an infinite and count-
  794. able width, by definition, the width set of Set Rnt is also infinite and
  795. countable, namely {1, 2, 3, 4, ...}.  We now have two infinite sets of
  796. counting numbers.  It is important to remember that Sets WR+ and WRnt
  797. contain *nothing* but counting numbers and it is important to remember
  798. that Set WR+ has been proven to be infinite and countable.  There are two
  799. cases to consider:
  800.  
  801. Case #1:   There exists a mapping from Set WR+ to Set WRnt.
  802.  
  803. Step 1:  By assumption, this case means that given any element of Set
  804. WRnt, there exists an element of Set WR+, and that there is an element of
  805. a countable mapping between these two elements.
  806.  
  807. Step 2:  Since Sets WRnt and WR+ map to digit positions in Sets Rnt and
  808. R+, respectively, Step 1 means that given any digit position in Set Rnt,
  809. there exists a digit position in Set R+.
  810.  
  811. Step 3:  It was shown above that for any digit position, n, achieved by
  812. Set R+, the cardinality of Set R+, as if n were the final digit position
  813. achieved by Set R+ (which it is *not*), consists of all permutations of n
  814. digits from a pool of 10 characters.
  815.  
  816. Step 4:  It is obvious that for any digit position, n, achieved by Set
  817. Rnt, the cardinality of Set Rnt, as if n were the final digit position
  818. achieved by Set Rnt (which it is *not*), cannot exceed the number of per-
  819. mutations of n digits from a pool of 10 characters.
  820.  
  821. Step 5:  Keeping Steps 4 and 5 in mind, because given any digit position
  822. in Set Rnt, there exists an equal digit position in Set R+, the cardinal-
  823. ity (i.e. number of representations) of Set Rnt cannot exceed the cardin-
  824. ality of Set R+ for any digit position, n.
  825.  
  826. Step 6:  Therefore, *by assumption*, there does not exist a digit posi-
  827. tion, n, in Set Rnt for which the cardinality of Set Rnt exceeds the car-
  828. dinality of Set R+.
  829.  
  830. Step 7:  Set Rnt can never achieve a digit position for which the cardin-
  831. ality of Set Rnt exceeds the cardinality of Set R+.
  832.  
  833. Step 8:  The cardinality of Set Rnt can never exceed the cardinality of
  834. Set R+, because there is no digit position in Set Rnt not available to
  835. Set R+.
  836.  
  837. Step 9:  By assumption, the width sets of Sets R+ and Rnt are permanently
  838. linked together by a mapping.  As such, the width of neither set can es-
  839. cape the bond resulting from this mapping.
  840.  
  841. Step 10:  Because of their similar permutation construction, neither set
  842. can excel in cardinality unless that set can escape the linkage or bond-
  843. ing of widths.
  844.  
  845. Step 11:  By assumption, neither set can escape the linkage of widths and
  846. neither set can excel in cardinality.
  847.  
  848. Step 12:  Because Set R+ never becomes uncountable, Set Rnt can never be-
  849. come uncountable (!) because, by assumption, its width can never exceed
  850. the width of Set R+.  Set R+ is countable, and Set R+ has the same
  851. permutation construction as does Set Rnt.
  852.  
  853. Step 13:  Set Rnt is therefore countable, because it can never become un-
  854. countable.
  855.  
  856. Step 14:  Because an infinite number of countable sets is countable, two
  857. countable sets (Sets R+ and Rnt) are also countable.
  858.  
  859. Step 15:  R is countable in Case #1.
  860.  
  861.  
  862. Case #2:   There does *not* exist a mapping from Set WR+ to Set WRnt.
  863.  
  864. Step 1:  By assumption, since it is known that Set WR+ is infinite and
  865. countable, there exists an element of Set WRnt which is not an element of
  866. Set WR+.
  867.  
  868. Step 2:  Because Set WR+ is known to be countable, and because by assump-
  869. tion there is no mapping from Set WR+ to Set WRnt, then by Cantor's First
  870. Assumption, Set WRnt is uncountable.
  871.  
  872. Step 3:  Because Set WRnt is uncountable, the number of digit positions
  873. in Set Rnt is uncountable, by construction.
  874.  
  875. Step 4:  This is a contradiction because the number of digit positions in
  876. each and every non-terminating number is countable, therefore by con-
  877. struction and definition, the width of Set Rnt, Set WRnt, cannot be un-
  878. countable.
  879.  
  880. Step 5:  Case #2 is rejected.
  881.  
  882.  
  883.   Q.E.D.
  884.  
  885.     While the above proof might be surprising, consider the following
  886. three sets, and determine which of the three sets is geometrically
  887. longer:
  888.  
  889. Set 1:  The real number line from 0 to infinity (this is an infinite
  890. set). (Think of this set as the width of the non-terminating decimals)
  891.  
  892. Set 2:  The summation of lengths of the unit intervals in R: [0,1] plus
  893. [1,2] plus [2,3] plus [3,4], etc.  (Think of this set as the width of the
  894. terminating decimals)
  895.  
  896. Set 3:  The ultimate length achieved by these intervals in R: [0,1] then
  897. [0,2] then [0,3] then [0,4] then [0,5], etc.  (Think of this set also as
  898. the width of the terminating decimals)
  899.  
  900.      It is clear that these three sets are equal in length.  Infinite
  901. sets of finite intervals are equal in every way to infinite sets.
  902.  
  903.      Likewise, because there is a direct link between the widths of Sets
  904. R+ and Rnt and the number of representations in each set (the link is the
  905. permutation construction), if the widths of Sets R+ and Rnt are equal,
  906. the number of their representations is equal, meaning their cardinality
  907. is equal.
  908.  
  909.      A comment could be made that Set Rnt achieves infinite width simul-
  910. taneously, but Set R+ must achieve it digit by digit.  But if Set Rnt
  911. achieves an infinite width simultaneously, why doesn't Set R+ achieve it
  912. simultaneously also?  It is a double standard to say that one infinite
  913. set is larger than another or to place a physical restriction on one in-
  914. finite set to make it appear larger than another infinite set.  Remember,
  915. the DT creates the new number - a *non-terminating* number - digit by
  916. digit, after an examination of a mapping, so how did the new number
  917. achieve infinite width simultaneously?  Fair is fair.
  918.  
  919.  
  920. SECTION 5)  CONCLUDING COMMENTS
  921.  
  922.      I would greatly appreciate your comments on this paper.  To send
  923. your comments, simply E-Mail me at:  webster@tyrell.net, or if that does
  924. not work, I can be reached at:  Webster Kehr; P.O. Box 7452; Overland
  925. Park, KS  66207.
  926.  
  927.      This short paper is basically a synopsis of an 80 page paper I re-
  928. leased on December 27, 1993, which in turn was the forth draft of a paper
  929. originally released on July 1, 1993.  While this paper has one proof that
  930. R is countable, the December 27th paper has 12 proofs.  The proof in this
  931. paper is the 5th of the 12 proofs.  The full paper also deals with such
  932. issues as: omega, the Power Set of a countable set (e.g. there is a map-
  933. ping from a countable set to the set of all of its subsets), other proofs
  934. that the Diagonalization Theorem is false, a counterexample to Cantor's
  935. 1973/74 proof that R is uncountable, and many other topics.  Copies of
  936. this paper are free and are available at the above address.
  937.  
  938. Thank you in advance for your comments.
  939.  
  940.