数分之重要,对于我的科研来说,是难以想象的。所以,今天起我重新学习数分,一点一点地,建立我的认识。
翻开数分的第一章,介绍实数的概念。我看了第一段,就被这样一个问题所纠缠。有理数可以利用分数形式表示,或者有限十进制or无限十进制循环小数表示,实数里除掉有理数的数,是无理数。
那么无理数是什么?这样的说法太令人不满了。就像通常情况下我们对数学家的不满,即,说的话都是对的,但是感觉没有意义。那么也就是说,无理数的性质,或者结构,或者分类,目前根本不清楚。我们能够清楚的部分,就是这么令人不满。
对于这样的问题,我需要回顾一下数的发展史。在数万年的演化中,人类需要计量,所以人们开始定义了1。然后在1的基础上加,有了自然数;减,扩展到整数。乘法因为衡量面积产生,到了除法,有了问题,会有非整数出现。那么有理数的概念就需要了。有理数,或是比例数,可公度数,毕达哥拉斯学派给它度量长度的说法。整数是离散的,在有理数出现之前,人们无法度量长度。长度的度量是比例数or有理数的直接体现。毕达哥拉斯对有理数有很深的感情,指出了度量这一本质,但是随着进一步认识,发现有理数的某种结构组合,会出现无理数,就是勾股定理or毕达哥拉斯定理。回忆到这里,古代数学似乎告一段落,因为在极限产生之前,无理数没有明确的定义。
大学的时候,我们都学过数分or高等数学,对极限有了了解。无理数的定义可以建立在这个之上,即,无理数是一个柯西列,是有理数的极限。所以,所有整数,都是柯西列。整数的加减乘除,还是整数。无理数一个柯西列,这样的定义仍然是让人不满的,数学家们给出了严格的定义,但是这也是一个轮廓的圈定,其有何种性质,结构如何,仍然非常不清楚。
不过,我们现在已经知道两个非常简单的性质。
无理数的数量的刻画。我们都知道,无论是自然数、整数、有理数以及整数,都是无穷多个。那么到底哪个更多呢?无穷多个,数不清,数学家们利用“势”来表示,哪一个更多。数数哪一种更多,我们需要感谢康托他老人家。他引入集合的概念,我们就可以对以上我们提到的数们,进行多少的划分了。具体怎么操作?比较两种数(即两个集合),其中一个数(集合)中的元素如果都可以映射到另一个数(集合)中,反过来另一个也可以都映射回去,即一一映射,那么这两种数的势,是一样的。这样看来,自然数、整数、有理数,势是一样的,数学上给这种势命名为阿列夫0;而实数,则明显比上述几种要多,它的势命名为阿列夫1。值得注意的是,阿列夫0的有限次方还是阿列夫0,而阿列夫0的阿列夫0次方,则是阿列夫1。那么阿列夫0和阿列夫1之间,到底有没有其他的势呢?据说有两种说法,一种说有,一种说无,两种是建立在不同数学体系上的,二者互不矛盾。而这个问题,据说是希尔伯特23个问题之一,我没有考证过,也思考不了。
说完了数的多少,很自然的想法,就是长度的刻画。比个例子,在0到1区间,其长度是1,点的长度是0,每一个有理数,都是一个离散的点,那么有理数的长度是0,而无理数的长度是1。
除掉这些,我相信对于无理数的种类,也是值得学习和思考的,在后续的学习中,我会进行讨论。
写完上面的内容,忽然发现,我的数分书,一个下午,只看了一行。