部分等於整體,說無窮,道無窮,無窮世界的封印,康託的悲鳴

2021-01-09 中學數學精準輔導

倘若有人說:「我的一根頭髮絲上的點和宇宙空間的點一樣多。」你可能認為他在說胡話。其實,只要掙脫「有限」概念的束縛,就會相信他的話是對的。

雖說人類早在兩千年前就有了「無限」的認識,但真正接觸無限本質的人並不多。可能是義大利科學家伽利略最早觸及到實質的。他把全體自然數與它們的平方一—對應起來:

1,2,3,4,5,…

1^2,2^2,3^2,4^2,5^2,…

他發現,兩串數一樣多,將第二串數稍加計算會發現,它們都是第一串數中的數,而第一串數中有的數,第二串數中並沒有,如2,3,5。可見第二串數是第一串數的一部分。部分怎麼能等於整體呢?伽利略感到迷惑了,他至死也沒弄清楚。

17世紀的數學終於迎來了新生。牛頓和萊布尼茨獨自發明了微積分,卻引發了數學的第二次危機。微積分計算的嚴格性常常被人詬病,迫切地需要數學理論的澄清。到了19世紀,由於分析的嚴格化和函數論的發展,數學家們對無理數理論、不連續函數理論的研究更是需要理解無窮集合的性質。了解「無窮」並深入「無窮」成了迫在眉睫的需求。

時代呼喚著天才。真正從本質上認識「無限」的, 是年輕的德國數學家,29歲的柏林大學教授喬治康託爾(G。Cantor,1845年3月3日—1918年1月6日)。他的出色工作,起於公元1874年。

康託爾的研究是從計數開始的。他發現人們在計數時,實際上應用了一 一對應的概念。比如教室有50個座位,老師走進教室,一看坐滿了人,不需點數,便可知道聽課人數是50。倘若空了幾個座位,立刻會知道,聽課學生少於50,這是因為「部分小於整體」的緣故。然而,這是有限情況下的規律,對於無限情況,就像前面伽利略例子一樣,部分可能等於整體!這,正是無限的本質!

經過深刻的思考,康託爾教授得出了一個重要結論:如果一個量等於它的一部分量,那麼這個量必是無限量;反之,無限量必然可以等於它的某一部分量。接著,康託爾教授又引進了無限集基數的概念。他把兩個元素間能建立起一—對應的集合,稱為有相同的基數。例如,自然數集與自然數平方的數集有相同的基數。自然數集與有理數集也有相同的基數(康託爾有證明,略去)。

由於自然數集的元素是可以從1開始,逐個點數的,所以凡是與自然數集基數相同的集合,都具備可數的特性。可見,可數集基數,是繼有限數之後,緊挨的一個超限數。

還有無其他超限基數?有。例如,圖1能清楚地表明圓周與直線上的點能建立起一—對應,可見有限長園上的點,與無限長直線上的點一樣多。

這樣,就證明了,一塊具有一定面積的圖形上的點,可同面積為零的線段上的點一樣多!

他以卓絕的智慧成就完成了這一宏圖偉業,讓人們得以一窺連接著無窮世界的大門內無比輝煌的寶藏。

為了把握和認知無窮的集合,康託創造性地將一一對應和對角線方法運用到集合論的奠基性研究當中。康託極其深刻地意識到:如果兩個無窮集合的元素能建立一一對應,那麼這兩個無窮集合的個數就應該被視為同樣多。在這種思想下,康託很快就發現偶數的個數和自然數的個數一樣多,甚至和整數的個數也一樣多。換句話說,偶數的個數所組成的無窮和整數的個數所組成的無窮是一樣大!

更為神奇的是,康託發現,實數的全體集合組成的無窮比整數的全體集合組成的無窮要大得多。歷史上第一次,康託為兩個無窮大建立了大小關係。正是因為康託的努力,數學中無限的面紗終於被揭開,圍繞著無窮的迷霧終於得以散去。他對無窮的新見解讓人們對無窮的認識上升到了一個前所未有的層次。

無窮的世界,一直被視為上帝塵封的大門。康託則打開了潘多拉的盒子,他也為此付出了極其慘重的代價。

康託一生受過磨難。他以及其集合論受到粗暴攻擊長達十年。康託雖曾一度對數學失去興趣,而轉向哲學、文學,但始終不能放棄集合論。康託能不顧眾多數學家、哲學家甚至神學家的反對,堅定地捍衛超窮集合論,與他的科學家氣質和性格是分不開的。康託的個性形成在很大程度上受到他父親的影響。他的父親喬治·瓦爾德瑪·康託在福音派新教的影響下成長起來。是一位精明的商人,明智且有天分。他的那種深篤的宗教信仰強烈的使命感始終帶給他以勇氣和信心。正是這種堅定、樂觀的信念使康託義無反顧地走向數學家之路並真正取得了成功。

尤其他的成果遭到同時代數學大師無情地嘲諷。以康託的導師克羅內克為首的數學家組成反康託的聯盟,對他進行科學和精神上的雙重羞辱。備受打擊的康託終於精神崩潰,一度患精神分裂症,最終於1918在德國一家精神病院鬱鬱而終。

然而,歷史是公正的。康託爾的理論並沒有因歧視和咒罵而泯滅!如今康託爾所創立的集合論,已成為數學發展的基礎。康託爾使人類從本質上認識了「無限」。人們將永遠緬懷他的不朽功績!可以說,第二次數學危機因為康託的工作而終於塵埃落定。自康託起,集合論成為數學裡最基礎和重要的理論分支之一。

可以說讓康託意想不到的是,他所創立的無窮集合論成了第三次數學危機的導火索,也從根本上改造了數學的結構,促進了數學許多新的分支的建立和發展,成為實變函數論、代數拓撲、群論和泛函分析等理論的基礎,還給邏輯學和哲學也帶來了深遠的影響。他在研究無窮集合時所發明的對角線方法,則為後世科學家提供了極為本質的靈感源泉。

20世紀無數重大的理論成果都受益於此,數學和哲學也因此而煥然一新,比如圖靈停機問題、哥德爾不完備定理都是該方法的不同延伸。在這些思想成果的匯聚下,最終造就了今日的信息文明,特別是計算機的發明。英國哲學家、數學家羅素稱讚康託爾的發現「或許是我們這個時代可引以為自豪的最偉大的事件」。

相關焦點

  • 無窮多中的基本數學哲學問題
    他有一次和朋友的兒子在一起,他讓朋友每說一個數,他都可以說出倍數,這就教孩子理解了無窮的概念。我們從整數有無窮多開始,比如有:1 2 3 4 5 6……n…… 這就是整數2 4 6 8 10 12……2n…… 這就是整數的倍數但是我們看見第二排的數又是雙數。所以在無窮的領域中,整數和雙數是一樣多的。
  • 聽華萊士講那「無窮」的故事
    但有一個故事,永遠講不完,也永遠聽不完,那就是:從前有座山,山上有座廟,廟裡的老和尚在講故事,他說:從前有座山,山上有座廟,廟裡的老和尚在講故事,他說……。到大學學了微積分,才知道「老和尚的故事」就是一個「無窮嵌套」,或者說「無窮循環」。什麼是「無窮」?是政治家的雄心抱負,是詩人的瀰漫情思,還是哲學家的深邃智慧?
  • 無窮級數的故事
    當然可能會有同學質疑說這麼一直加下去怎麼就等於2了呢?為什麼不是小於2?利用等比數列求和公式:在這裡,大正方形的面積為1,綠色部分和黃色部分是對對稱的兩部分,足以說明:什麼是加法結合律,這應該是小學內容了吧:a+b+c=a+(b+c)在計算加法的時候可以先把後面的部分先加起來,但要注意的是,我們所說的計算都是有限個數的計算,而我們上面的題目可是求一個無窮級數的結果,所以問題就出在這裡!我們不能拿有限數的計算方法用在無限當中,這便是我們沒有感覺出有差別的地方。
  • 奇妙的無窮級數
    因此2S應該等於1,這樣S就應該等於1/2。再將其中一個正方形分成兩半,得到兩個面積為1/8的長方形,以此類推,直至無窮。總面積(我們每次剩下沒再分隔的正方形和長方形)和幾何級數所有項的和相同。因為這個總面積就是大正方形的面積,所以幾何級數應該就等於1。確實,數學家也同意這個結論。他們會說這個級數收斂於1。正式的收斂是通過數列的部分和來定義的:
  • 「1的無窮大次方」真的等於1嗎?
    我們都知道1的任何次方都等於1,1無窮大次方也不例外,但是對學過微積分的同學,在回答1的無窮大次方時,肯定保持疑問的態度。我們走起,從嚴格的數學思維角度出發,將1的無窮大次方寫成兩個函數所組成的指數形式。
  • 無窮竟然可以比較大小?
    今天的我們是生活在前輩打拼的世界下的,希望大家可以珍惜如今的生活,對於數學不要放棄。要了解關於能影響我們數學世界震動的大事,我們必須知道了解一下關於數學的發展的過程。關於引起數學界第一次震動的事,有一個人不得不談,這個人就是畢達格拉斯。著名的勾股定理就是他提出來的。格拉斯的觀點是:一切的數都可以用整數表示。
  • 無窮「極簡」說:一本介紹無窮的袖珍書
    因為無窮小量不是0,在計算中,其它量可以除以無窮小量。不過,適宜得到結果的時候,無窮小量又被假定為0.那不是很嚴格的數學。直到十九世紀末,康託爾就無窮大的本質,給予了更深刻的洞見。通過這些歷史,斯圖爾特解釋了無窮這個概念在多個領域怎樣發揮了作用。這些領域對於我們今天如何理解無窮這個概念,都有巨大的貢獻。在第一章,斯圖爾特提出了一些涉及到無窮的謎題或者悖論。
  • 「無窮」的魅力,數學家知道
    19世紀末,德國數學家康託爾發明了集合論,無窮被賦予新的含義,原來「不可理喻」的「無窮」是可以進行大小比較的。康託爾的集合論,使近現代數學進入了一個全新的境界。希爾伯特在1900年舉辦的第二次國際數學家大會上,高度讚揚康託爾的集合論是「人類純粹智力活動的最高成就之一」。希爾伯特在本次大會上提出了指引未來數學發展的23個問題,其中第一個問題便是康託爾的連續統假設。
  • 無窮符號魅力大無窮
    無窮符號魅力大無窮。我們人類的祖先在很多年前就開始思考「無窮」這個概念,並且在科學、神學、哲學、數學、甚至是日常生活中,「無窮」還被引申出不同的含義。不過我們大家最熟悉的應該就是它在數學當中的概念了,是不是有很多小夥伴和我一樣,一看到「∞」這個符號就頭疼?無窮符號。
  • 集合論創始人康託
    康託創立了驚世駭俗的超窮數理論掀起起了數學與哲學史上一場深刻的革命。          對於康託來說無窮是實在的,他們可以不同,可以比較大小,可以進行數學運算,甚至可以對其進行超窮歸納等等。          無窮,可以比較大小,比如說,有理數,有無窮多個,整數也有無窮多個,這兩個無窮多是相等的。
  • 常數項無窮級數的性質
    所謂的常數項無窮級數,簡而言之,就是數列各項之和。可用下式表示常數項無窮級數:從常數項無窮級數表達式很自然就能延伸出這樣個問題:常數項無窮級數是否收斂?下方的極限將這個問題與數列極限聯繫起來:如果極限S存在,則數列收斂,否則數列發散。其中Sn為部分和數列,即數列的前n項之和。常數項無窮級數收斂的定義就是:如果極限S存在,則數列收斂。
  • 合金彈頭無窮
    《合金彈頭無窮》作為一款設計類的街機遊戲,相信很多玩家聽到名字就已經非常熟悉了,當年風靡一時的街機遊戲,緊張刺激的遊戲過程,飽滿豐富的背景故事,讓玩家能夠有非常高的參與感,擊敗壞人解救人質,然後獲得更好的裝備和武器,最後再和隊友一起打boss贏得最後的勝利!
  • 無窮級數的概念和性質
    無窮級數是高等數學的一個重要組成部分,它是表示函數研究函數的性質以及進行數值計算的一種工具。本章先討論常數項級數,介紹無窮級數的一些基本內容,然後討論函數項級數,著重討論如何將函數展開成冪級數和三角級數的問題。
  • 無窮與無限就是永遠不能結束的過程嗎?
    什麼是無窮阿拉丁在這幾天的評論區發現現在對無窮的主流觀點有兩種,一種是認為無窮實際存在,另一種是認為無窮只是一個代名詞,它潛在存在。為了簡單的區分,就給他們取個名字:實無限思想和潛無限思想所謂實無限思想,就是指認為無限的東西本身是一個現成的單位,是已經構造完成的東西,也就是說無限是一個無窮的整體。
  • 無窮大不能達到
    有人以為,無窮有實無窮,潛無窮。作者以為:無窮是不能達到的在自然數集裡,不應去談所有自然數因為在一個自然數集裡,所有自然數都有下一個數。不能尋到最後一個,所有的包含最後一個。無窮跟無窮應是不同的我們不應將一個無窮代替所有無窮。我以為無窮贏屬於一個集,這個集由我們尋不到的數弄到一塊了。
  • 無窮級數:傅立葉級數原理概述
    數學中,無窮級數非常重要。它們廣泛用於計算器和計算機中。工程和科學中研究的許多現象本質上都是周期性的,例如。交流電路中的電流和電壓。可以通過傅立葉分析將這些周期函數分解為單個的組成成分(諧波)。在本篇中,我們還將根據無窮級數重新表達函數。但是,我們將不使用多項式來表示無窮級數,而是使用正弦和/或餘弦函數之和。傅立葉級數用於分析電子信號。例如,稍後我們將看到「 快速傅立葉變換」,它討論了在錄製數位音樂時使用的脈衝編碼調製。
  • 無窮級數之級數的性質
    也就是說,我們不能把有限項求和的結合律,無條件地推廣到無窮級數.這個結論解答了為什么正正相加得負數的例題?可以點擊回看大學教授推算:馬雲爸爸會從「億萬富翁」變成「億萬負翁」.世上本無無窮,無窮乃身外之物,不要用有限的眼光看無窮.·下面看兩道例題·-END-
  • 你從未注意到的,有關e的無窮級數的一個著名問題
    對於e的級數和數學篇章非常多,但有關e的更深層次的內容比較少,本篇我們就來了解e其中的一些奧秘首先從最基礎的入手如下N趨於無窮大時,有如下結論,這是一個比較常見的等式我們將上式右邊二項式展開,如N=4時,e^x就等於如果N=1000時,根據二項式展開
  • 無窮大可以大於無窮大嗎?
    請聽我娓娓道來:初,有一科學家名亞里斯多德,一日突發奇想,創立「無窮」之概念,此是前因。至千餘年後,又有一科學家名康託爾,發明無窮大數算術,乃是後果。這康先生提出了兩個比較無窮大數的方法。印象中,你肯定會說,自然數的數目是最大的,因為自然數不僅包括了偶數也包括了奇數。但這只是你的錯覺而已。如果你運用了康託爾提出的方法,你就會發現這是錯的。這使我們得出結論:在無窮大的世界,部分可能等於全部。 接下來我們考慮線段上的點數和整數的個數的多少的問題。因為一條線段上的點不可能完全用循環小數表示,其中有很多不循環的小數,也就是無理數表示的點。
  • 從「無窮」到「集合」,這位數學家以一己之力打造了數學大廈基礎
    希爾伯特曾說:沒有任何問題象「無窮」那樣深深地觸動人的情感,很少別的觀念能像「無窮」那樣激勵理智產生富有成果的思想,然而也沒有任何其它概念能象「無窮」那樣需要加以闡明。然而,「無窮」雖美,但也令人充滿困惑甚至令人感到恐懼,人們對「無窮」充滿嚮往卻又無力把握。只有當「無窮」遇上「集合論」的時候,「無窮」之美才真正地被人類所掌控。