理论教育 数学之外与数学之内:了解有穷与无穷的概念

数学之外与数学之内:了解有穷与无穷的概念

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:但是在数学上经常会遇到无穷的情况,例如,自然数的个数是无穷的,有理数的个数是无穷的,一条直线上的点的个数是无穷的,等等。我们再来看一个著名的“希尔伯特旅馆”问题:有一天,某旅馆的房间都住满了客人,这时又来了一位客人,问他是否还能住进去?,直至无穷,这样的旅馆被称为“希尔伯特旅馆”),则新来的客人可以住进去。

数学之外与数学之内:了解有穷与无穷的概念

我们在生活实践中遇到的事物个数都是有穷的,例如,一个学校的学生个数是有穷的,一个城市乃至一个国家的人口数也是有穷的。但是在数学上经常会遇到无穷的情况,例如,自然数的个数是无穷的,有理数的个数是无穷的,一条直线上的点的个数是无穷的,等等。

由于人们在生活实践中遇到的事物个数都是有穷的,人们的思维局限在有穷的范围中,也就往往习惯于从有穷来考虑问题,一旦遇到无穷的概念,常识就会出错,甚至连专家学者也免不了会犯错误。如古希腊数学家欧几里得(Euclid,约前330—前275)在他的名著《几何原本》中提出一个公理:“整体大于部分”,但是意大利物理学家伽利略(Galieo Galilei,1564—1642)指出:正整数与平方数一样多。换言之,在无穷的情况下,整体不一定大于部分。

我们再来看一个著名的“希尔伯特旅馆”问题:有一天,某旅馆的房间都住满了客人(即每个房间都住进了一位客人),这时又来了一位客人,问他是否还能住进去?(www.daowen.com)

答案是如果房间数有限,则新来的客人是无法住进去的;但如果房间数是可列无穷多(即全部房间可排列成1号房,2号房,3号房,……,直至无穷,这样的旅馆被称为“希尔伯特旅馆”),则新来的客人可以住进去。方法是这样的:让住1号房的客人住到2号房去,让住2号房的客人住到3号房去,依此类推,让住n号房的客人住到n+1号房去,直至无穷,这样空出来的1号房就可以让新来的客人住了。

按照上述办法,我们还可以进一步断言,即使新来2位、3位、100位,甚至可列无穷多位客人,我们都有办法让他们全住进去,使原来的客人与新来的客人每人都住一个房间,而不会有人没房间住(请读者思考理由)。

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