違反直覺的數學:數軸上任意一個數是超越數的概率為100%

2020-12-13 電子通信和數學

超越數是一個對數學愛好者是一個既陌生又神奇的熟悉概念,前面我們依據康託爾對角線原理巧妙的得到,代數數是可數無窮,實數是不可數無窮,那對於超越數呢?它們是可數無窮還是不可數無窮呢?

因為超越數與可數無窮的代數數構成了不可數無窮的實數集,所以超越數只能是不可數無窮,對吧,夥伴們這是不是很容易理解。

接下來看一個更強悍的東西,一個可數無窮數集,比如有理數或者代數數,比起不可數無窮數集比如說實數,超越數,無理數,簡直微不足道。

接下來是一段不錯的解釋,以有理數為研究對象。

所以就用自然數給所有有理數標上號,有理數0,被標上自然數1,有理數1,被標上了自然數2,依次類推

取一段長度為1的線段,取一半,放在編號為1的數上,並以之為中點,

剩下的取一半,放在編號為2的數上,並以之為中點,依次類推

現在我們把所有有理數都包括在了長度為1的線段內,這就是數學中的一門分支——測度論

對於「有理數集長度或者說測度小於1」有嚴格定義,但這個命題對於任何更短的線段也成立啊,既然我們能讓線段任意小,結論就是:有理數的長度或者說測度為0

當然,同樣的結論也適用於任何可數無窮集,比如代數數,所以說可數無窮數集的測度皆為0.長度是0,這個結論是不是很詭異。

但是我們仔細想一想,也沒有其他我們遇到的一些結論詭異,比如說代數數集和自然數集一樣大,從這也能推出,如果我們關注某段有限的區間。

在當中隨便選一個數,會有一個完全正確但是違背直覺的結論,這個數是代數數的概率為0,換句話說,你選中的超越數的概率為100%

那麼像π或者e這樣的數呢?因為幾乎所有的實數都是超越數,你應該猜π和e都是超越數,而它們真的是超越數,但是證明起來非常複雜。

如圖貼上證明π是超越數的圖片,供大家參考下,它是如此的艱深難懂。

在這裡提一下,在1882年對於π時超越數的證明,解決了一個困擾了古希臘人的謎題,π是超越數,意味著尺規作圖化圓為方是不可能的。

給出一個圓,想要用尺規畫出一個等面積的正方形是不可能的

給大家展示一個位數具有簡單規律的數是超越數,劉維爾數,由著名法國數學家劉維爾發現,早於康託爾的方法,這個數正是我們想要的,這個數有一大片0組成,只有寥寥的幾個1存在

1出現在第1!位,第2!位,第3!位,依次類推,因為這個數的0的個數沒有規律,也沒有循環部分,因此它是一個無理數,這個數是歷史上比較早證明是超越數的數,課本上都拿這個數作為最簡單的證明題。

用前幾篇超越數的文章裡的方法,比你見過的任何證明劉維爾數是超越數的方法都簡單。

如果你已經理解了前幾篇和本篇有關超越數的解說,你可以試著證明劉維爾數是超越數。

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