数学之美(14)——漫话“无穷”(欢迎入住希尔伯特的旅馆)

希尔伯特曾经说过:没有任何问题可以像无穷那样深深地触动人的情感,很少有别的观念能像无穷那样激励理智产生富有成果的思想,然而也没有任何其它的概念能像无穷那样需要加以阐明。

无穷

发现自由落体规律的伽利略曾经提出个困扰他的问题:自然数和完全平方数,哪个数量多?通常情况下,整体数量是大于部分的,完全平方数是自然数的一部分,很明显,自然数比完全平方数要多,可是:

1→1

2→4

3→9

4→16

……

每个完全平方数都与一个特定的自然数一一对应着,那不就是一样多了吗?

这个问题直到200年后才由康托尔解决,德国数学家康托尔,定义了集合论并给了这个问题解答。

康托尔

他从基本概念入手,什么是一样多?只要两个事物之间存在一一对应的关系,那么这两个事物数量就是一样的,换成集合语言是:两个集合中的元素存在一一对应,那么这两个集合就相等。

按他的思路,这个问题异常简单,一个自然数和它的平方一一对应,所以,自然数和完全平方数一样多。

在数海中,偶数和自然数一样多;奇数和自然数一样多……在几何中,一截线段上的点和一半圆上的点一样多,和整个空间内的点也一样多……这些问题只要你找到一一对应就可以了。


希尔伯特的旅馆

德国著名数学家希尔伯特曾经对无穷给予很大的兴趣,也举了很多有意思的例子。

实际生活中的旅馆,无论多么大,无论有多少房间,一旦住满了,再来客人只能拒之门外了。客人们只有去别的旅馆入住了。那么试想一下,如果有一家旅馆,有无穷多的房间,房间的号码从1,2,3,4……排列,用尽了自然数。现在客人住满了,又来了一位,怎么办呢?

希尔伯特说:可以解决。

1号房间的客人去2号放间,2号房间的客人去3号,3号房间的客人去4号,……依次类推,1号房间就空出来了。原来的客人也都有地方入住了。

这个事情后来有了很多的演绎。

现在如果来看一批无穷多的旅客!希尔伯特仍然可以妥善安排。

老住户都进偶数号房,1号去2号,2号去4号,3号去6号,4号去8号……

奇数号房间空出来了,新住户都进奇数号房。就是新来的客人和自然数一样多,仍然住得下。

所以,无穷个房间和有限个房间就是这样的不同,可以说,无论多少个旅客在希尔伯特的旅馆里都能得到房间休息。

整数分数谁多

在数轴上,整数稀稀拉拉,分数星罗棋布,比如任意两个整数之间就没有整数了,却有无数个分数,似乎,分数比整数多。其实,整数和分数一样多的,也可以找到对应关系,时间有限,先发这些~~~

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