在非正式使用中,基数就是通常被称为计数的东西。它们同一于开始于

0

{\displaystyle 0}

的自然数(就是

0

,

1

,

2

,

{\displaystyle 0,1,2,\ldots }

)。计数可以形式化地定义为有限基数,而无限基数只出现在高等数学和逻辑中。

更正式地,一個非零的数可以用于两个目的:描述一个集合的大小,或描述一个元素在序列中位置。对于有限集合和序列,可以轻易的看出着两个概念是相符的,因为对于所有描述在序列中的一个位置的数,我们可以构造一个有正好大小的集合,比如3描述了

c

{\displaystyle c}

在序列

a

,

b

,

c

,

d

,

.

.

.

{\displaystyle a,b,c,d,...}

中的位置,并且我们可以构造有三个元素的集合

{

a

,

b

,

c

}

{\displaystyle \{a,b,c\}}

。但是在处理无限集合的时候,在这两个概念之间的区别是本质的—这两个概念对于无限集合实际上是不同的。考虑位置的方面會引申出序数的概念,而大小則被这里描述的基数所廣義化。

在基数的形式定义背后的直觀想法是,可以构造一个記號來指明集合的相对大小,而不需理會它有哪些種類的成员。对于有限集合这是容易的:只需简单的數算一个集合的成员数目。为了比较更大集合的大小,得借助更加巧妙的概念。

一个集合

Y

{\displaystyle Y}

至少等大小于(或稱大于等于)一个集合

X

{\displaystyle X}

,如果有从

X

{\displaystyle X}

Y

{\displaystyle Y}

的一个单射(一一映射)。一一映射对集合

X

{\displaystyle X}

的每个元素确定了一个唯一的集合

Y

{\displaystyle Y}

的元素。通过例子就最易理解了;假设有集合

X

=

{

1

,

2

,

3

}

{\displaystyle X=\{1,2,3\}}

Y

=

{

a

,

b

,

c

,

d

}

{\displaystyle Y=\{a,b,c,d\}}

,我们可以注意到有一个映射:

1

a

{\displaystyle 1\to a}

2

b

{\displaystyle 2\to b}

3

c

{\displaystyle 3\to c}

这是一对一的,使用上述的大小概念,我們因此總結出

Y

{\displaystyle Y}

有大于等于

X

{\displaystyle X}

的势。注意元素

d

{\displaystyle d}

没有元素映射到它,但这是允许的,因为我们只要求一一映射,而不必须是一对一并且完全的映射。这个概念的好处是它可以扩展到无限集合。

我们可以把这个概念扩展到一个類似於等式的关系。两个集合

X

{\displaystyle X}

Y

{\displaystyle Y}

被称为有相同的"势",如果存在

X

{\displaystyle X}

Y

{\displaystyle Y}

之间的双射。通过Schroeder-Bernstein定理,这等价于有从

X

{\displaystyle X}

Y

{\displaystyle Y}

和从

Y

{\displaystyle Y}

X

{\displaystyle X}

的两个一一映射。我们接着記之为

|

X

|

=

|

Y

|

{\displaystyle |X|=|Y|}

X

{\displaystyle X}

的基数自身经常被定义为有着

|

a

|

=

|

X

|

{\displaystyle |a|=|X|}

的最小序数

a

{\displaystyle a}

。这叫做冯·诺伊曼基数指派;为使这个定义有意义,必须证明所有集合都有同某个序数一样的势;这个陈述就是良序原理。然而即使不給集合的勢指派一個名字,討論集合之間相對的勢還是可以的。

一個经典例子是无限旅馆悖论,也叫做希尔伯特旅馆悖论。假设你是有无限个房间的旅馆主人。旅馆客满,而又来了一个新客人。可以让在房间1的客人转移到房间2,房间2的客人转移到房间3,以此类推,腾空房间1的方式安置这个新客人。我们可以明确的写出这个映射的一个片段:

1

2

{\displaystyle 1\longleftrightarrow 2}

2

3

{\displaystyle 2\longleftrightarrow 3}

3

4

{\displaystyle 3\longleftrightarrow 4}

...

n

n

+

1

{\displaystyle n\longleftrightarrow n+1}

...

在这种方式下我们可以看出集合

{

1

,

2

,

3

,

.

.

.

}

{\displaystyle \{1,2,3,...\}}

和集合

{

2

,

3

,

4

,

.

.

.

}

{\displaystyle \{2,3,4,...\}}

有相同的势,因为已知这两个集合之间存在双射。这便給"无限集合"提供了一個合適的定義,即是與自身某個真子集有著相同的勢的任何集合;在上面的例子中

{

2

,

3

,

4

,

.

.

.

}

{\displaystyle \{2,3,4,...\}}

{

1

,

2

,

3

,

.

.

.

}

{\displaystyle \{1,2,3,...\}}

的真子集。

当我们考虑这些大对象的时候,我们还想看看计数次序的概念是否符合上述为无限集合定义的基数。事實上是不一致的;通过考虑上面的例子,我们可以看到如果有“比无限大一”的某个对象存在,它必须跟起初的无限集合有一样的势。這時候可以使用另一種稱為序数的形式概念,它是建基于计数并依次考虑每个数的想法上。而我们會发现,势和序(ordinality)的概念对于无限的情況是有分歧的。

可以证明实数的势大于刚才描述的自然数的势,透過对角论证法可以一目瞭然。跟势相關的经典问题(比如连续统假设)主要关注在某一对无限基数之间是否有別的基数。現時数学家已经在描述更大更大基数的性质。

因为基数是数学中如此常用的概念,有各种各样的名字指涉它。势相同有时也叫做等势、均势或等多(equipotence, equipollence, equinumerosity)。因此称有相同势的两个集合为等势的、均势的或等多的(equipotent, equipollent, equinumerous)。