无穷大有多大

上次我们讨论了无穷小有多小的问题,最终得出结论——无穷小不是0,它是根据极限的定义得出的。接下来我们需要讨论的就是无穷小的反面——“无穷大”。

希尔伯特旅馆

简单起见,我们先讨论简单的无穷大——无穷大数。我们先来看一个与之相关的故事——希尔伯特旅馆,可能大部分人都听过这个故事。

希尔伯特的旅馆

这是著名数学家大卫 希尔伯特在谈到“无限大数”的性质时做出的假设:故事是这样的——有一位旅客来到一家有有限间房间的旅馆,想要住店,但是这家旅馆已经满客了。于是旅客只能换到另外一家旅店,这家拥有无限个房间的旅馆也满客了,不过店主说:没问题。于是1号房间的客人被移到2号房间,2号房间的客人被移到3号,3号被移到4号.........以此类推,于是1号房间就被空出来了。可是过了一会,又来了无穷位客人想要住店,“请稍等”,店主说,于是他让1号房间的客人一道2号房间,2号房间的客人移到4号......n号房间的客人移到2n号,这样就把所有的奇数房间空出来了,客人们就都住进去了。

从这个看似荒诞的希尔伯特旅馆中,我们貌似得到了一些结论——无穷多减少或者增加一两个数字还是无穷多,正整数和其中的偶数的个数是“一样”的。一般来说1.变化之后和之前是不相等的。2.部分是不等于整体的。但是这两件事在“无穷”这一概念上貌似不再适用。

无穷大的基数

引出了无穷大这一概念,我们不禁要问:所有的无穷大都是一样的吗?“无穷大”这一概念和我们所学过的有限数之间的性质有什么不同呢?这里就涉及到集合论的知识了。

首先我们来定义一个集合的基数。简单来说,基数就是一个集合中包含的元素的个数。譬如空集的基数是0,{1,2,3}的基数是3。对于有限集,基数这一概念是很简单的事情。那么对于无限集呢?

我们先来讨论一个简单的无限集——自然数集{0,1,2,3,4.......}。显然这是一个无限集,因此不能用一般的数来表示这个集合的基数,而是用一个希伯来字母加下标\aleph_0来表示,读作阿列夫零。也就是说自然数集的基数是\aleph_0。在集合论那一篇文章中,我们已经提到,如果两个集合之间存在双射(一一对应),我们就称这两个集合是等价的。我们很容易构造从自然数集到正整数集或偶数集的双射,因此显而易见,正整数集,偶数集都是与自然数集是等价的,也就是说他们的基数都是\aleph_0。而我们把所有和自然数集合等价的集合称为可数集(这种无穷叫做可数无穷)。

到这里大家应该意识到了,无穷既然有可数无穷(和自然数集等价),那么自然有“不可数无穷”。就是说这个集合虽然有无限个元素,但是这个集合与自然数集不等价。一个简单的例子就是实数集R,它和自然数集是不等价的,他的基数称为\aleph_1,读作阿列夫1。当然还有其他的各种“无穷”,我们这里也不再细说。

简单的来说,无穷大并不是一个简单的“数”,它是一个极限的概念。正如我们上次提到的无穷小不是0一样。

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