Comencemos por considerar la lista infinita de todas las potencias de dos:
$$2, 4, 8, 16, \dots$$
o bien:
$$2^1, 2^2, 2^3, 2^4, \dots$$
Por supuesto que estos números crecen indefinidamente, por lo que podemos considerar correcta la siguiente escritura:
$$\lim_{n\to\infty} 2^n=\infty$$
Pero si somos más meticulosos podemos preguntarnos ¿qué tipo de infinito representa el símbolo \(\infty\) ? O en otras palabras ¿podemos establecer con mayor exactitud el resultado de este límite?
Para esto hay que saber que, así como los números naturales \(0,1,2,\dots\) o cardinales finitos, con los que contamos conjuntos finitos, existen también los cardinales transfinitos, con los que podemos contar exactamente cuántos elementos tiene un conjunto infinito (y asignarle un número o cardinal transfinito), También podemos comparar dos cardinales transfinitos, es decir, saber si un conjunto tiene tantos elementos como otro, o no.
Georg Cantor |
Por ahora consideremos un cardinal transfinito estrictamente mayor que \(\aleph_0\). Se trata del cardinal que cuenta a todos los subconjuntos de \(\mathbb{N}\). En general, dado un conjunto \(A\), el conjunto que consta de todos los subconjuntos de \(A\) se llama el conjunto potencia de \(A\), y se denota como \(\wp (A)\). Se puede demostrar matemáticamente que si \(A\) tiene \(n\) elementos entonces \(\wp (A)\) tiene \(2^n\) elementos. La demostración consiste en poner todos los subconjuntos de \(A\) en correspondencia uno-a-uno (también llamada biunívoca) con todas las hileras de \(n\) "bits", cada uno de los cuales puede ser cero o uno. A continuación se establece, a manera de ejemplo, la correspondencia uno-a-uno entre los subconjuntos del conjunto \(A=\{a,b,c\}\) y las ternas de ceros o unos:
\[ \begin{matrix}
\phi & \longleftrightarrow & (0,0,0) \\
\{ a\} & \longleftrightarrow & (1,0,0) \\
\{ b\} & \longleftrightarrow & (0,1,0) \\
\{ c\} & \longleftrightarrow & (0,0,1) \\
\{ a,b\} & \longleftrightarrow & (1,1,0) \\
\{ a,c\} & \longleftrightarrow & (1,0,1) \\
\{ b,c\} & \longleftrightarrow & (0,1,1) \\
\{ a,b,c\} & \longleftrightarrow & (1,1,1) \\
\end{matrix} \]
Así pues, la correspondencia se establece traduciendo el hecho de que un elemento pertenece o no a un subconjunto a poner un uno o un cero en el lugar correspondiente de la terna. Contar todos los subconjuntos de \(A\) equivale a contar todas las \(n\)-hileras de ceros o unos, que son precisamente \(2^n\). Esto vale también para un conjunto infinito como \(\mathbb{N}\), que tiene cardinalidad \(\aleph_0\): su conjunto potencia \(\wp (\mathbb{N})\) tiene cardinalidad \(2^{\aleph_0}\), puesto que también se puede establecer una correspondencia uno-a-uno entre todos los subconjuntos de \(\aleph_0\) y todas las sucesiones infinitas de ceros o unos.
Cantor demostró un notable hecho matemático que se conoce como Teorema de Cantor:
Para cualquier conjunto \(A\), su conjunto potencia \(\wp (A)\) tiene cardinalidad estrictamente mayor.
Esto es obvio para conjuntos finitos: para cualquier número \(n\) sucede que \(n<2^n\). Pero la demostración de Cantor (de la cual nos podemos ocupar en otra ocasión) es válida para cualquier conjunto. Así que también vale para el conjunto \(\mathbb{N}\), y podemos concluir lo siguiente:
$$\aleph_0<2^{\aleph_0}$$
El Teorema de Cantor se puede aplicar a su vez a \(\wp (\mathbb{N})\), a \(\wp(\wp (\mathbb{N}))\), etc., para obtener una sucesión infinita de cardinales transfinitos:
$$\aleph_0<2^{\aleph_0}<2^{2^{\aleph_0}}<\cdots$$
Ahora regresemos a nuestra pregunta inicial: ¿cuál es el valor de \(\lim_{n\to\infty} 2^n\)? Tenemos que precisarla: ¿qué sucede con las potencias \(2^n\) cuando los cardinales \(n\) crecen indefinidamente, es decir, se acercan al cardinal \(\aleph_0\)? Con lo dicho anteriormente, la respuesta puede parecer sencilla:
$$\lim_{n\to\aleph_0} 2^n=2^{\aleph_0}$$
Pero esta respuesta es sorprendente: los números finitos \(2, 4, 8, 16, \dots\) "llegan" al cardinal \(2^{\aleph_0}\) saltándose el cardinal \(\aleph_0.\)
El salto de un aleph.
El salto de un aleph.
No cabe duda: el enfoque que le dio Cantor a la Teoría de Conjuntos ha aportado a las matemáticas muchas grandes sorpresas.