Zijn natuurlijke talen groter dan verzamelingen?

Door K.P. Hart

Dit is de vierde in een korte serie blogposts naar aanleiding van een discussie op twitter over dit stuk op Neerlandistiek van Marc van Oostendorp dat zelf weer een reactie op dit artikel van Paul Postal was. In de eerste post kwalificeerde ik een opmerking uit het stuk van Postal als lariekoek. Daar gaat deze post over.

De opmerking van Postal betreft de grootte van de `collectie’ van alle boeken in een taal. Die collectie is niet alleen oneindig groot, niet alleen overaftelbaar, maar zelfs groter dan elke denkbare verzameling. Voor (een idee van) het bewijs van deze bewering verwijst Postal naar het artikel Sets and Sentences en een boek, The Vastness of Natural Languages, beide geschreven door hemzelf en D. Terrence Langendoen.

Ik heb wat met verzamelingen en wilde daarom wel eens zien waarom de collectie boeken in een natuurlijke taal zo groot moest zijn. Het boek heb ik niet te pakken kunnen krijgen maar deze recensie beweert dat de kern van de inhoud al in het artikel staat. laten we dat artikel dan maar eens bekijken.

Het artikel bestaat uit drie delen: een korte inleiding, een deel waarin “naar analogie met Cantors’s resultaten” wordt beargumenteerd dat de zinnen in een natuurlijke taal geen verzameling vormen, en een deel met conclusies.

Dat tweede deel begint met wat definities die het beschrijven van constructies van nieuwe `zinnen’ uit oude mogelijk moeten maken. Het hoofdingrediënt is dat van een conjunct, dat is een eenheid die bestaat uit een connectief en een deelconjuct. Die conjuncties kunnen in/tot `co-ordinate compound constituents’ samengevoegd worden. Zo’n co-ordinate compound moet wel echt `compound’ zijn en dus uit ten minste twee conjuncten gevormd worden.

Vervolgens spreken de schrijvers af hoe uit een verzameling U van constituenten een ‘co-ordinate compound constituent’ T gemaakt kan worden; of beter: hoe we kunnen zien dat T uit U gemaakt is. Elke conjuct in T heeft een element van U als deelconjunct, elk element van U is deelconjunct van precies één conjuct van T, en de conjuncten in T zijn geordend (daarover later meer).

In dit geval is T een `co-ordinate projection‘ van U, en U is de `projection set van T. Let op het gebruik van `een’ en `de’ in de vorige zin.

Ik kan begrijpen dat dit allemaal nogal abstract overkomt en ik moest het zelf een paar keer lezen voor ik dacht door te hebben wat er aan de hand is. Achter al die termen zitten plaatjes als het onderstaande verscholen:

De verzameling U bestaat uit de constituents `Marc’ en `KP’; uit elk element van U kunnen we een conjunct maken door er een connectief aan vast te plakken. Dat connectief kan leeg zijn, zoals bij `Marc’ omdat, bijvoorbeeld, je aan het begin van een zin geen voegwoord gebruikt en toch iets nodig hebt om je conjuct te markeren. Daar nemen we dan ∅ maar voor. In de woorden van Langendoen en Postal: C1 en C2 zijn de dochters van T, die zusters zijn elk een conjuct, bestaande uit een connectief en een deelconjuct.

De hoofdaanname, of het hoofdaxioma, is nu dat elke verzameling constituents tot een co-ordinate compound gevormd kan worden.

Verder kun je zonder veel moeite oneindig veel zinnen aangeven:

  • De reële rechte is overaftelbaar
  • Ik weet dat de reële rechte aftelbaar is
  • Ik weet dat ik weet dat de reële rechte aftelbaar is
  • Ik weet dat ik weet dat ik weet dat de reële rechte aftelbaar is

Niet erg opwindende zinnen maar daar gaat het niet om: er is een duidelijke procedure die voor elk natuurlijk getal n een zin Z(n) construeert.

Voor elke deelverzameling U van deze verzameling {Z(n):n∈N} van zinnen bestaat er dus een co-ordinate compound waarvan de deelconjucten precies de zinnen uit U zijn. Dat geeft ons dan overaftelbaar veel zinnen.
Daarmee is het hek van de dam: we kunnen blijven doorgaan en elke deelverzameling van de nieuwe verzameling zinnen weer samensmeden tot een nieuwe zin. En weer, en weer, en weer, …

De conclusie van Langendoen en Postal is nu dat alle zinnen die we zo kunnen maken geen verzameling vormen. Hier komt de analogie met Cantors resultaten om de hoek kijken. Cantor bewees namelijk dat elke verzameling strikt meer deelverzamelingen heeft dan elementen. Als je dit toepast op `de verzameling van alle verzamelingen’ kom je in de knoop: de elementen van die `verzameling’ zijn precies zijn deelverzamelingen, maar dat kan niet omdat er meer deelverzamelingen dan elementen zijn. De entiteit `de verzameling van alle verzamelingen’ bestaat dus niet.

Dezelfde redenering is nu van toepassing op `de verzameling van alle zinnen in een natuurlijke taal’: elke deelverzameling bepaalt een zin en verschillende deelverzamelingen bepalen verschillende zinnen en dat druist in tegen de conclusie van Cantor: altijd strikt meer deelverzamelingen dan elementen.

Waarom lariekoek?

Waarom denk ik dat dit lariekoek is? Dat heeft vooral te maken met de manier waarop Langendoen en Postal hun `bewijs’ presenteren. Daar is wiskundig veel op af te dingen.

We gaan het artikel Sets and Sentences van D. Terrence Langendoen en Paul Postal opnieuw lezen, maar nu met een wiskundig oog en met een rode pen in de hand.

We beginnen bij de definitie van Co-ordinate compound constituent; informeel komt zo’n ding tot stand door zogeheten constituents middels connectieven aan elkaar te plakken.

In punt (6) van het artikel wordt gedetailleerd beschreven hoe dat plakken in zijjn werk moet gaan, of preciezer: er wordt geformuleerd wat de relatie tussen de verzameling U van constituents en de compound T moet zijn. Uit die formulering zou je een plakmethode kunnen distilleren. Van punt (6) citeer ik deelpunt (d)

if two elements of U occur as subconjuncts of conjuncts C1 and C2 of T then C1 and C2 occur in a fixed order. Where C1 and C2 are of distinct length assume the shorter precedes; where C1 and C2 are the same length, assume some arbitrary order.

Als een student zoiets opschrijft trek ik mijn rode pen: ten eerste om het gebruik van `fixed’ en `arbitrary’ vlak achter elkaar, en ten tweede om dat `arbitrary’. Dat lees ik als “doe maar wat” en daar schrijf ik dus “Hoe dan?” bij. Ik kom straks nog op dit punt terug.

Verder in punt (6) wordt T een `co-ordinate projection’ van U genoemd en U de `projection set’ van U. Inderdaad: U is door T uniek bepaald maar niet andersom; het woord `arbitrary’ lijkt daar op te duiden.

Dan volgt een alinea waarin wordt beargumenteerd dat elke verzameling U een co-ordinate projection heeft. Dit zou `straightforward’ moeten zijn, volgens de schrijvers althans. Hier zijn de stappen (de `category Q’ die ter sprake komt is een niet nader gespecificeerde abstracte categorie van zinnen):

  1. Neem een verzameling U en laat k de kardinaliteit van U zijn (eindig of oneindig)
  2. Citaat: Clearly, from the purely formal point of view, there is a co-ordinate compound W belonging to the category Q. Dat klinkt mooi maar het heeft geen enkele bewijskracht; geen enkele rechtvaardiging, geen indicatie waar die W vandaan zou moeten komen.
  3. Citaat: Since there are no size restrictions on co-ordinate compounds, W can have any number, finite (more than one) or transfinite of immediate constituents. Dit is slechte (wiskundige) stijl: eerst lijkt W vast, dan gaat hij alsnog variëren. Een betere formulering zou zijn: “er zijn co-ordinate compounds van alle mogelijke kardinaliteiten”. Die betere formulering maakt de bewering niet automatisch waar, er is nog steeds geen concrete rechtvaardiging gegeven.
  4. Citaat: W can then, in particular have exactly k such constituents. Nogmaals: die vaste W is omgevormd tot een gepaste W. Niet mooi, maar vooruit dan maar.
  5. De deelconjuncts van de conjuncts in W vormen een verzameling V die, volgens de regels in (6), kardinaliteit k heeft. Niks mis mee.
  6. Citaat: To show that W is a co-ordinate projection of U, it then in effect suffices that there exist a one-to-one mapping from U to V. Niet dus. Hoe je definitie (6) ook wendt of keert, dit haal je er niet uit. Wil W een co-ordinate projection van U zijn dan zal de verzameling V exact gelijk aan de verzameling U moeten zijn; een bijectieve afbeelding tussen die twee is echt niet genoeg.
  7. Citaat: But this is trivial, since the two sets have the same number of elements. Dit klopt, maar ik verdenk de schrijvers ervan dat ze niet doorhebben wat hier achter zit. Georg Cantor definieerde `kardinaliteit’ op een manier die eigenlijk nietszeggend is, zie de tweede post in deze serie. Hij bewees daarna dat `hebben gelijke kardinaliteit’ equivalent is met `er bestaat een bijectieve afbeelding tussen’, maar tegenwoordig is dat laatste de definitie van het eerste.

Afsluiting

In het artikel formuleren Langendoen en Postal nu een afsluitingsprincipe. Na een waarschuwing dat niet elke co-ordinate projection noodzakelijkerwijs welgevormd is komt het volgende Closure Principle for Co-ordinate Compounding:

If U is a set of constituents each belonging to the collection, Sw, of (well-formed) constituents of category Q of any natural language, then Sw contains the co-ordinate projection of U.

Hoezo “the co-ordinate projection”? Uniciteit van die projecties is nog niet aan de orde geweest en over die collectie Sw is niet (expliciet) gezegd dat elke verzameling zinnen maar op één manier tot een grotere zin samen te voegen is.

Na een opmerking over het recursieve karakter van dit principe noemen de schrijvers de categorie S van zinnen als een categorie waarop het principe van toepassing is, althans: ze beweren dat (maar geven geen bewijs).

Dat weerhoudt ze er niet van het principe twee keer uit te spreken voor S. Eerst via een bijna letterlijke herhaling, met Q vervangen door S, en dan nog een keer met behulp van een formule(!): the co-ordinate projection van een verzameling U noteren we CP(U) en dan krijgen we

(∀U)(U⊂L → CP(U)∈L)

Hierin is L de collectie van alle elementen van de categorie S van een natuurlijke taal (voor mij betekent dat L=S want L en S hebben dezelfde elementen, maar er is misschien een subtiel verschil tussen de collectie van elementen van een categorie en de categorie zelf). Merk op dat hier het onbepaalde lidwoord definitief bepaald geworden is. Zonder het expliciet uit te spreken hebben de schrijvers kennelijk besloten dat compounding maar op één manier kan; de functienotatie CP(U) kan niet anders geïnterpreteerd worden.

Maar hoe is CP(U) gedefinieerd dan? Dat wordt niet duidelijk; een illustratie met met verzamelingen van drie, vier zinnen die tot één worden samengevoegd overtuigt mij niet.

Een soort van hierarchie

Dan komt eindelijk datgene waar ik al lang op zat te wachten: The Cantorian Analogue, waarin bewezen gaat worden dat de zinnen in een natuurlijke taal geen verzameling vormen. Overigens, een definitie van `verzameling’ hebben we nog niet echt gehad.

Het bewijs gaat aanvankelijk met gebruik van een verzameling zinnen als hierboven, de schrijvers gebruiken {Babar is happy; I know that Babar is happy; I know that I know that Babar is happy, …}. Die verzameling noemen ze S0.

Ik kort de zinnen even af: z0 is “Babar is happy” en, gegeven zn is zn+1 de zin “I know that zn“.
Onder de aanname dat de natuurlijke taal L aan het afsluitingsprincipe voldoet omvat L ook de verzameling S1 die bestaat uit S0 en de co-ordinate projections van de deelverzamelingen van S0 met twee of meer elementen. De formulering verdient het nauwkeurig gelezen te worden.

Then L also contains a set S1, made up of all the sentences of S0 together with all and only the co-ordinate projections of every subset of S0 with at least two elemente, that is, with a set containing one co-ordinate projection for each member of the power set of S0 whose cardinality is at least 2.

Deze zin deugt niet. De delen voor en na `that is’ spreken elkaar tegen. De eerste versie van S1 bevat alle co-ordinate projections van alle deelverzamelingen van S0de projecties van iedere deelverzameling —; de tweede versie bevat van elke deelverzameling (precies) één projectie. Daarnaast is de eerste versie uniek bepaald door het `all and only’, daar is `the set S1‘ dus meer op zijn plaats; in het tweede deel past `a set’ wel.

Je zou het meervoud `projections’ enkelvoud kunnen maken; dat sluit wat beter aan bij de formulering van de afsluitingeigenschap, the projection zou dan telkens de functiewaarde CP(U) kunnen zijn. Maar dan gaat het ook mis: vóór het `that is’ is de keuze van projectie duidelijk vastgelegd, maar na `that is’ zit er nog potentiële willekeur in de keuze van projectie, er staat niet expliciet dat die one projection ook echt CP(U) is.

De schrijvers geven dan een voorbeeld van hoe S1 er uit zou kunnen zien (dus toch geen welbepaalde verzameling): {z0; z1; z2; …; z0 and z1; z0 and z2; …; z0, z1, and z2 …} (voor alle duidelijkheid: de punt-komma’s scheiden de zinnen en de komma’s dienen als connectieven in de zinnen).

Dan volgt een lange alinea waarin met veel omhaal van woorden de kardinaliteit van S1 wordt bepaald. Door het `één projectie per verzameling’ is dat niet moeilijk: dat is dezelfde kardinaliteit als die van de familie van alle deelverzamelingen van S0 en omdat S0 aftelbaar oneindig is, en dus kardinaliteit ℵ0 (alef-nul) heeft is die kardinaliteit gelijk aan 20 (2-tot-de-macht-alef-nul) en niet ℵ1, zoals Langendoen en Postal opschrijven. Ergens bij hun bestudering van de verzamelingenleer is er iets misgegaan en is de Continuümhypothese waar geworden.

Zoals wellicht verwacht wordt dit proces voortgezet. Er komt een rij verzamelingen S0, S1, S2, …, netjes recursief gedefinieerd door Sn+1=Sn∪Kn. Hierbij is Kn telkens de verzameling projecties van deelverzamelingen van Sn. In formule

Kn={x:(∃y)(y⊆Sn ∧ x is the co-ordinate projection of y)}

Hier had dus ook Kn={x:(∃y)(y⊆Sn ∧ x=CP(y))} kunnen staan.

Op deze manier komt er een hierarchie van verzamelingen zinnen tot stand; die zinnen worden steeds complexer en de verzamelingen steeds groter. De schrijvers claimen onterecht dat voor elke n het kardinaalgetal van Sn gelijk is aan ℵn. De juiste formule is een machtsverheffing met een torentje van n tweeën, met bovenaan nog een ℵ0. Dat kardinaalgetal noteren we in de verzamelingenleer als ℶn (beth-n).

Dit verhaal culmineert in wat de schrijvers The NL Vastness Theorem noemen: Natural Languages are not sets.

Het bewijs verloopt uit het ongerijmde. Neem aan dat L een verzameling is. Het proces van co-ordinate projection definieert een injectieve afbeelding van de machtsverzameling van L naar L zelf. Dat kan niet volgens een stelling van Cantor: elke verzameling heeft strikt meer deelverzamelingen dan elementen. Tegenspraak.

Er is echter een groot MAAR, en daar gaan we het nu over hebben.

Ordeningen en lengten

Het `bewijs’ in het artikel staat vol met impliciete aannamen over het gedrag van verzamelingen die een niet-wiskundige waarschijnlijk niet zo snel zullen opvallen. Er zijn twee dingen die nogal schadelijk zijn voor de redenering zoals hierboven beschreven.

Ten eerste de ordening, ik heb er bij de beschrijving van de co-ordinate projection al op gezinspeeld: daar zit, op zijn zachtst gezegd, een onvolledigheid.

Die onvolledigheid duikt op bij de overgang van S1 naar S2, en nog erger bij de stap daarna van S2 naar S3.

Bij de eerste stap, van S0 naar S1, is er niets aan de hand: we hebben onze verzameling S0 genummerd en die nummering ordent elke deelverzameling van S0, waarmee zo’n deelverzameling een natuurlijke projectie heeft, ook als deze oneindig veel elementen heeft. Dit levert natuurlijk wel zinnen zonder einde op.

Daarna, van S1 naar S2, hebben we een probleem: er zijn (overaftelbaar) veel zinnen van oneindige lengte (allemaal even lang als de verzameling der natuurlijke getallen). Daar gaat het `fixed’ en `arbitrary’ van punt (6)(d) dus wringen. Hoe orden je zo’n verzameling zinnen? De heren Langendoen en Postal spreken zich daar niet over uit.

Gelukkig kunnen we hier de lexicografische ordening gebruiken: kijk naar het eerste teken (inclusief spaties) waar de zinnen verschillen en neem een besluit op basis van de ordening van de tekens. Zie ook de post Boekenplanken voor gevorderden waar een aspect van die ordening aan de orde komt dat hier de zaak ook compliceert: er zijn heel veel verzamelingen die de eigenschap hebben dat tussen elk tweetal zinnen oneindig veel zinnen staan en die ook geen eerste zin hebben. Als we die ordening gebruiken om projecties te maken dan krijgen we dus zinnen zonder begin, zonder einde, en met voegwoorden die gaan ten minste één kant niet zien wat ze verbinden.

Het kan nog erger. We kunnen de verzameling S2 opvatten als de familie van alle deelverzamelingen van de reële rechte R. En op die familie kan geen lineaire ordening gedefinieerd worden. Het sleutelbegrip is hier `definiëren’: er is geen formule die de familie deelverzamelingen van R zó sorteert dat elk tweetal verzamelingen vergelijkbaar is. De stap van S2 naar S3 kan eigenlijk niet genomen worden.

Daarnaast is er nog het begrip lengte van een zin. Cantor heeft een hele theorie van orde-typen (`lengten’) van lineair geordende verzamelingen ontwikkeld. Wat daar vooral opvalt is dat er veel onvergelijkbare orde-typen zijn. En die kom je ook tegen bij de stap van S2 naar S3: het voorsorteren op `lengte’ gaat dus ook al niet.

Welordeningen?

“Maar, er zijn toch welordeningen?”, hoor ik degenen die wat verzamelingenleer hebben bestudeerd opwerpen. Dat klopt, en we hebben ook nog Zermelo’s Welordeningsstelling, die zegt dat elke verzameling een welordening heeft. Bij een welordening zijn de elementen zo gesorteerd dat elke deelverzameling (niet-leeg) een eerste element heeft. Welordeningen zijn ook nog onderling vergelijkbaar, dus die co-ordinate projections schrijf je zo op.

Inderdaad, maar die welordeningsstelling is equivalent met het Keuzeaxioma en daarmee hoogst niet-constructief. Zoals de verzameling S2 geen definieerbare lineaire ordening heeft heeft S1 geen definieerbare welordening.

Je kunt met welordeningen werken maar dan laat je de willekeur van het Keuzeaxioma binnen en daarmee ben elke zweem van een grammatica kwijt.

Ik weet niet of je dan nog van een natuurlijke taal kunt spreken.

Korte samenvatting

We zijn hier nog niet aan het einde van het artikel Sets and Sentences gekomen. Er gebeurt wiskundig niet veel nieuws meer en het derde deel beargumenteert dat zo ongeveer alle theoriën over natuurlijke getallen uit de tijd van schrijven niet deug(d)en. De argumenten steunen op The NL Vastness Theorem.

In het bewijs van die stelling zitten gaten. En die gaten bestaan vooral uit ontbrekende definities en aannamen.

Zo wordt nergens echt vastgelegd wat een verzameling eigenlijk is; het dichtst bij een definitie komt men in het bewijs van de Vastness Theorem: het kenmerkende van een verzameling is dat deze een kardinaliteit, een `aantal elementen’, heeft. Dat is de omgekeerde wereld en ook niet echt nodig.

Cantor definieerde eerst `Menge’ en pas daarna `Machtigkeit’; naar moderne maatstaven hebben die definities weinig inhoud maar ze stuurden de intuïtie wel de goede kant op.

De manier waarop ik het `bewijs’ van de stelling heb opgeschreven laat zien dat die aanname over kardinaliteit vermeden kan worden; we hebben alleen goede afspraken over het hebben van meer, minder en evenveel elementen nodig en dat kan zonder die aantallen te definiëren of benoemen. Net als we geen eenheid van lengte nodig hebben om uit te maken of ik langer, korter, of even lang ben als Marc van Oostendorp: zet ons naast elkaar en je weet het.

Zoals al opgemerkt zijn de centrale noties van het artikel niet goed afgesproken; de definities lijken, gezien de gegeven voorbeelden, vooral ingegeven door de eindige situatie. Bij het suggestief opschrijven van de verzameling S1 zien we ook alleen maar eindige zinnen.

Ik vermoed dat niemand de schrijvers heeft gevraagd hoe men het zich moet voorstellen: een collectie zinnen die geordend is als de rationale getallen: zonder begin, zonder eind en met tussen elk tweetal zinnen oneindig veel andere. Hoe maak je daar een goedlopende zin van?

Deze post verscheen eerder in twee delen op het eigen blog van K.P. Hart
Afbeelding: Venn diagram. Bron: Wikimedia
.