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约公元前400年 无限有多大?

相关数学家:

古希腊人

结论:

希腊人以无限取乐,但如今数学家们却发现无限的复杂性超乎想象。

数学中的极大和极小

无限的概念很难理解。作为拥有有限寿命的人类,我们已经习惯了处理有限的、具体的事物,那么如何才能掌握“永无止境”的概念呢?

古希腊人与无限

有几位古希腊数学家为“无限”概念绞尽脑汁。欧几里得证明了质数有无限个;亚里士多德意识到时间永存,没有尽头。希腊人称“无限”为“阿派朗”(apeiron),意思是没有界限、没有尽头。他们不喜欢这一观点,因为他们更喜欢处理(小一点儿的)整数。

公元前5世纪,哲学家芝诺曾在多个悖论中使用过无限思想。这些悖论中最著名的一则是关于阿喀琉斯和乌龟的故事。希腊神话中著名的战士阿喀琉斯和乌龟赛跑,假设阿喀琉斯和乌龟比100米赛跑,他让乌龟先跑50米。比赛开始了,他快如子弹,只用了5秒钟就跑了50米,到了乌龟起跑的地方。但是,乌龟也一直在往前跑,更恰当一点儿说是蹒跚着爬,5秒的时间内爬了半米。所以此时乌龟领先了半米。

然后,阿喀琉斯在0.05秒内跑了半米,但乌龟又一次蹒跚着,前进了5毫米,仍然领先。实际上,每当阿喀琉斯要追到乌龟的时候,乌龟也在向前移动。无数次的你追我赶中,两者的距离变得越来越小。但也因此,阿喀琉斯永远无法追上乌龟。

无限的数量相同吗?

1 500多年后,意大利科学家伽利略为无限的大小发起了愁。无限都一样吗,还是各种各样的?例如,每个整数都有一个平方数:1 2 =1,2 2 =4,3 2 =9,依此类推。大多数整数都不是平方数(例如2、3、5、6、7),因此显然整数比平方数多。已知整数有无数个,平方数也有无数个;因此整数的无限应该大于平方数的无限。但是,每个整数都是一个平方数的平方根,这表明每个整数都可以匹配一个平方数。换句话说,整数和平方数之间存在一一对应的关系,因此两者“无限”的个数应该相同。这就是伽利略的悖论。

伽利略得出了结论:“‘等于’‘较多’和‘较少’这样的属性仅适用于数量有限的情况。”

无限的大小

德国数学家格奥尔格·费迪南德·路德维希·菲利普·康托尔(1845—1918)更进一步,他定义了无限的不同大小。

例如,有所有整数(或自然数)的集合:1、2、3、4等。还有所有偶数的集合:2、4、6、8等。偶数与整数一一对应:2→1、4→2、6→3、8→4。这意味着偶数是可数的。进一步看,偶数的无限个数加上奇数的无限个数,等于所有整数的无限个数。

另外,有所有实数的集合:1.0、1.1、1.01、1.001、1.000 01等。康托尔指出,实数集合是不可数的,因为它们不能与整数一一对应。因此,实数的集合大于整数的集合,也就是说,无限集合的大小有多种可能。很明显,在1和2之间有无限个实数,尽管这一点看上去很直观,但是康托尔设法证明了这一点。

无限的用法

无限可能难以想象,更难以确定。尽管19世纪的德国数学家利奥波德·克罗内克坚信,无限的概念太过模糊了,不该在数学中占有一席之地,但数学家们还是必须学会如何处理它。

科赫雪花

比如,研究微积分绕不开“无穷小量”——无限小的分割;再比如,时间没有终点,事物也不可能停止运动。要处理这个无限可分割的连续体,唯一方法就是设置极限,并假设你感兴趣的那个点就在这些极限之间。同样,当你放大分形的结构时,较小的细节会重复出现。这种排列将无穷无尽地延伸,受到分辨率的限制,更小的细节渐渐被抹平,整体趋于平整。

然而,正是无限的难以理解使它一直处于数学思维的前沿。举个例子来说,“无限”这个概念,已经成了判断数学上可证或不可证的关键所在。毕竟在库尔特·哥德尔的不完备性定理之后 (参阅此处) ,我们应该都接受了数学中并非所有事物都可证的观点。另外,德国数学家戴维·希尔伯特于1924年引入了著名的旅馆悖论。希尔伯特的旅馆有无数间客房,这些客房全满员了。然而,通过一系列巧妙的证明,希尔伯特表示他总是可以为无限多的客人安排无限多的客房。单凭直觉判断,这纯属胡说八道。你怎么在已经客满的旅馆里,找到可以入住的客房?但这就是无限的悖论。希尔伯特的证明是严密的,他只不过证明了人的直觉和常识可能是错的…… Pee3bLYubAtaFB3HXwauxVv2kFvgX3bEz1sRUOgTxMvOldiB99O8xEpy4Bgx/Ub6

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