顛覆常識的數學

2021-01-19 三叉貓

首先我們看一些不可思議的數學知識,今天要介紹的第一個顛覆常識的數學知識是,有些無窮集合要大於其他無窮集合。你可能會納悶了,無窮集合不都是無窮嗎?怎麼還有大於小於這一說,事實上所有無窮集合的大小並不都是相同的,數學家可以將它們從大到小進行排列,比如說整數集合(1,2,3,...),就要小於實數無窮集合,也就是所有數字的集合,而且數學家甚至可以說明無窮集合的大小關係,標記為阿列夫0 的整數集合的元素數量,同實數集合的元素數量阿列夫1 之間關係為,阿列夫1 等於2 乘以阿列夫0。

這裡面阿列夫是希伯來字母,用以表示無窮

這一概念是19 世紀德國數學家康託爾提出的

康託爾

關於康託爾的具體思想,恐怕就不是我們凡人能夠理解的,總之他的這一概念既沒有得到證實,也沒有能被證明是錯誤的。事實上科學家已經證明這一概念是不可判定的,而對於另外一些無窮集合來說,它們的則是等勢的,比如分數無窮集合就並不比整數集合大,因為我們通過在數學上對其進行排列,可以發現每一個分數都能與一個整數相對應,反過來也是如此,而在實數和整數之間,卻無法建立這樣的對應關係。總之記住,無窮不等於無窮,康託爾不是人就行了,關於數學的第二個匪夷所思之處就比較燒腦了,那就是大部分的數學真理是不可以證明的。

我們初中都學過幾何,而歐式幾何的基礎便是那幾條可憐的公理,老師告訴我們這幾條公裡是不可證明的,但其他所有的定理,都可由這幾條公理出發得到證明。所以我們一直認為,從理論上來說,數學領域內的所有真的東西,都是可以證明的,對有著「精確科學之後」美譽的數學來說,對所有的真理進行嚴格的證明,也正是其所追求的。但事實是真實陳述的數量要大於可證明的數量,而且這一命題本身竟然已經得到了證明,證明者為奧地利數學家哥德爾。

哥德爾

時間早在1931 年,哥德爾使用的證明工具被稱作「元數學」,這個元數學是對邏輯本身一步一步進行說明的一種數學語言,這一證明的關鍵之處,就在於構建一個既為真卻又不可證明的陳述,就像著名的說謊者悖論一樣,這句話是「這一陳述不是可證明的」。

我們可以簡單分析一下,假如這句話是真的,那麼不合邏輯的推理,就讓人首先確信該陳述是不可證明的,而如果這句話是假的,那麼該陳述就可被證明,它所表述的內容就是真的。由此一來「這一陳述不是可證明的」這句話就是真的,從而反駁了最初的假設,證明完畢。

但是也正是該陳述的不可證明性,反過來證明了其真實性,既在本質上無法證明,又必定是真實的,僅僅這個例子,就足以體現數學的不完全性。所以以公理進行的邏輯判斷為基礎的證明方法,其實無法適用於數學真理的所有領域,這便是「哥德爾不完備定理」,這一定理告訴我們,任何數學定理,都會產生出能使整座數學大廈崩潰的謬誤。

雖然我們可以把數學命題納入集合論等範圍較廣的理論中,但這樣一來,「集合論是嚴密的」這一命題自身,卻成為了無法證明的,所以哥德爾已經被警方控制,不知道你聽明白沒有,反正我是不明白。

那麼咱就當明白了就行了,今天要說到第三個事實也很讓人抓狂,那就是偶然是很難的,我們常以為人世間,都是一切偶然性的結果,但是事實並非如此,比如你讓計算機隨機生成一列數字,你敢說這是偶然的嗎,恐怕未必。因為它也有其生成規律,還比如說拋硬幣,也不是偶然事件,因為沒有任何一枚硬幣會是十全十美的,所以拋擲的結果一定是偏向於一面,可見偶然如此難以發生。正是因為在人類世界中,法則支配著一切,那麼有沒有真正的偶然呢?當然有,這就不是人類世界了,而是量子世界,這也是自然偶然的源頭,如果我們把光子一個接一個地生產出來,然後射向半反射鏡面,那麼平均50%的光子可以穿過鏡面,另外50%則會發生反射,而光子是穿過還是反射,我們是無法預測的,這才是真正的隨機與偶然。

好了今天再這樣下去

那麼我們接下來就來看一些匪夷所思的數字真相,首先我們人體皮膚表面的微生物數量,是地球總人口的100 倍,在我們大約2 平方米的皮膚表面上,大約為1 萬億個微型居民提供了棲身之所,這些無害的房客,能夠預防外來有害細菌的侵入,當然了這其中也有個別搗亂分子,而如果放眼我們體內的話,人體內的細菌要多於構成我們身體的細胞,成人體內大約有75 萬億個細胞,但細菌的數量甚至會超過1000 萬億。所以事實是,人體至少90%是由細菌構成的,而且這些數以千種的細菌,還在我們的體內形成了名副其實的生態系統,這些生態系統對於消化、免疫以及腸發育來說,都是不可或缺的,不過這麼想來,依然讓我們細思極恐,難不成我們是一種細菌操縱的生化危機的產物。

下一個數字奇蹟依然與人體有關,這就是DNA 長的不知道高到哪裡去了,我們知道,包含了人類基因組的46 條染色體每條僅長几微米,但如果將染色體打開並連接起來,其雙螺旋結構的長度可達2 米。在我們的人體中,除了沒有DNA 的大約25 萬億個紅血球之外,剩下的所有細胞中都含有DNA,而這些細胞的數量高達50 萬億個,所以人體中核苷酸的長度大約為1000 億公裡,這是什麼概念。地月距離的26 萬倍,原來胸中自有乾坤真不是瞎說的,不過你也別覺得人類就是牛逼的不要不要了,事實上人類基因的數量卻要少於水稻基因。

也許你會認為,考慮到人體無與倫比的複雜性,我們自然會把人類至於進化樹的最頂端,別說是我們天天吃的穀物了,就是猴,又何足掛齒。但事實是殘酷的,測算結果顯示,人類基因數量為2 萬到2.5 萬個,而大米的基因數量則超過3 萬個,為什麼會出現這樣打臉的結果?科學家認為,這主要由於植物沒有腿,所以不論颳風下雨,不論寒來暑往,人類都可以飛奔著尋找遮風躲雨、冬暖夏涼的地方,但植物卻只能留在原地,依靠自我奮鬥來努力的適應環境的變化,為此植物具備了在不同特定條件下表現的基因,有些在寒冷時發揮作用,有些在乾旱時發生作用。所以植物為了在不斷變化的環境中成長,其基因數量多於人類,也就不足為奇了。

這也算不上什麼人類的奇恥大辱,當然水稻基因多還有其他一些原因,比如植物本身就是基因複製的王者,關於這一

植物很牛,動物也不遑多讓,地球上最終的動物是蚯蚓,雖然每條蚯蚓的體重僅有幾克,但地球上所有蚯蚓的總質量,卻超過了其他所有動物質量的總和,也正是有這麼多無名的奉獻者的存在。我們才擁有了肥沃的土地,感謝蚯蚓,您老辛苦了,原來你就是那最熟悉的陌生蚓。

說完了數學和生物中的數字,我們在看看人類社會中匪夷所思的數字現象,首先我們來看計算機

計算機那是用來計算的,你也許認為它是世界上最強大的運算工具,但其實它弱爆了。如果你讓計算機計算2018.1 減去2017.1 的話,那麼計算機內儲存的答案其實並不是1,而是一個接近於1.000 000 000 000 000 0001 的數值,這是由計算機本質所決定的bug,我們知道計算機在對數字進行儲存時,使用的不是十進位,而是0 和1 兩個字節,而其組合僅有64 個字節。

所以計算機能夠儲存的數字是有限的,大約為1 千億億個數字,未儲存的數字則以近似值進行表示,像是0.1 或是2018.1 這樣的部分帶有小數點簡單數值,就無法用0 和1 的有限數量進行表示,所以前面出現的減法錯誤是無可避免的,當然了這種錯誤非常細微。但有時在某些情況中也會出現爆炸式的放大,導致不同計算機所進行的相同計算出現了不同,甚至是差別很大的結果,看來一些小仙女們過年時候胖了6 斤,四捨五入這就是20 斤啊。

這種情況對於計算機來說並不陌生,而要說的熟悉與陌生,那麼我們人類最熟悉的數字是什麼呢,恐怕是1,如果你展開世界地圖,然後統計下數不清的河流的長度,當然了恐怕大家是沒這閒工夫了,不過有好事者已經做過了,那就是大約三分之一的長度的第一個數字是1,1 的出現頻率要遠遠高於其他數字,而且不管是用公裡還是英裡,結果都是一樣的。

而對於山脈高度和股票價格來說,情況也是如此,為什麼會這樣呢,難道是人類的刻意為之,當然不是,我們以門牌號來舉例,對於那些門牌號不超過20 號的街道來說,有11 個號碼是以1 開頭的,佔號碼總數的55%,如果是不超過30 號的話,同樣有11 個號碼是以1 開始的,佔36.7%,當號碼達到10000 時,有1111 個號碼是以1 開始的,佔11%。從總體上來看,不論街道有多長,以數字1 開始的號碼,平均佔總數的30%,以2 開頭佔17.6%,以數字3 開始的佔12.5%。

據此研究者認為,當自然、經濟、數學現象中所包含的數字,按照具有一定規律的方式進行排列時,就會像街道的門牌號,這些數字的分布基本上都會遵循這一法則,今天要說的最後一個數字玄機很是神奇,這就是城市之間的交流遵循引力法則、

關於引力,那是遵循牛逼頓的平方反比定律,兩顆行星之間的引力大小與行星的質量成正比,與行星間距離的平方成反比,同樣的兩座城市之間也會產生相互作用力,這種相互作用力指的是物質與人員交流的傾向。研究發現該傾向與城市人口數量成正比,與城市間距離的平方成反比,那麼這到底是引力現象的普遍性,還僅僅只是個巧合,目前科學家還不能給出解答,不過我想知道的是,利用這條定律可不可以用來拯救東北經濟呢?

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