有这样一个故事,炎炎夏日,我想去商店买冰淇淋,当然,在我走完一半路程之前,我不可能到达商店,在我走完一半路程之后,如果我不接着走完剩下路程的一半,我还是无法到达商店。每次我都要先走完剩下路程的一半才有可能到达商店,如此循环,我会越来越接近商店,但我无论走完多少半程,永远无法到达冰淇淋店,我与冰淇淋店店之间永远都有一段非常小但不等于零的距离。但对于此刻正美美的吃着冰淇淋的我来说,这个故事显然只会发生在想象中。
其实这个故事的学名叫芝诺悖论,虽然原始的故事不是这么讲的,可能是因为那时候还没有冰淇淋。如果故事是真的,那所有的运动都不可能实现了。很开心的是我只需要走两步就完美的驳斥了这个故事,但故事的问题在哪里呢,为什么看上去好像很有道理呢?
我们可以利用数字把商店之行分成若干份,我们先走一半,即1/2,然后走剩下路程的一半,即全程的1/4,接着1/8,1/16,1/32......。走完商店的过程就是:
1/2 + 1/4+1/8 + 1/16+.....
把这个数列的前10项相加约等于0.999,前20项求和大约是0.999999,但无论我们加多少项,都无法得到1。这就引出了数学中的另一个难题,循环小数0.999999.....是否等于1?
如果是之前的冰淇淋问题,我们只需要走两步,但对于这个数字问题,可能很多人会觉得这个循环小数看上去不等于1,要小一点,这个循环小数与1越来越接近,但可能永远无法等于1。
但事实是它们是相等的,比如下面这些数学证明方法:
0.3333......=1/3
两边同时乘以3,我们会得到
0.9999......=1
这个证明看上去好有道理,但严格意义上讲这并不算一个证明,它不能消除疑虑去相信0.9999......等于1,而只是让我们接受0.3333......=1/3这个等式。那么0.9999......究竟是什么呢?这个无穷小数可以看做下面数字求和
0.9+0.09+0.009+......
如果这些数字是有限的,两个、三个、1000个数字求和,结果肯定不会引起争议,问题就在于无穷多个数字求和是多少呢?根本没有,除非我们为它赋予一个值,19世纪20年代,数学家柯西完成了这次创新,引入了极限的概念。在柯西之前,面对这样的数字求和问题,人们首先想到的是结果是多少,而重来没有人思考怎样定义这个问题。
本文并非讨论该怎样证明这个数学问题,只是去尝试了解下问题的思考过程,为什么我们的直觉有时会犯错。比如下面这道找规律题
0.9<1,
0.99<1,
0.999<1
...
我们会不会理所当然的得到0.9999......<1呢,显然,我们忽略了前面给出的条件是针对有限小数的,而我们给出的结论却是无穷。这是两个不同的维度,而我就是那个被数学这座大山压住的小猴子,但为了生存,我已成功甩锅给了省略号,都是因为省略号迷惑了我的双眼。
虽然很多时候我们直觉的想法会被现实啪啪啪打脸,但败给数学,我心服口服,相信能看我啰嗦这么多的一定是对真理有着追求的人,一定非常想知道严格的数学证明是什么样的,请参考这是本书 附录2,对于我这样非数学专业的人来说,我选择抱数学的大腿,相信这个结论。