实数轴及其赝品——James Propp教授专栏

360影视 2025-01-22 19:08 3

摘要:曲线可以从直线下方到直线上方而不与直线相交吗?但为什么中值定理是正确的呢?怎样才能证明这一点呢?就像戴德金完备公理一样,它不能从欧几里得公理推导出来。事实上,中值定理在逻辑上与戴德金完备性公理等价。每一个都可以从另一个推导出来。⁴有些数系不满足中值定理,如果你

原创 James Propp zzllrr小乐作者:James Propp(马萨诸塞大学洛厄尔分校)2025-1-17译者:zzllrr小乐(数学科普公众号)2025-1-21有一个非常漂亮的思想实验,有时被认为是德谟克利特(Democritus,公元前460 - 370)的作品,尽管它实际上是原子假说⊃1;后来的推广者所提出的,是这样讲的:假设我们用世界上最锋利的刀将一块奶酪切成两半,让一大块变成两小块。如果奶酪是由原子组成的,那么一些原子最终会落入一半奶酪,其余的原子最终会落入另一半。但是,如果奶酪是连续的物质,并且奶酪块类似于欧几里得几何中的线段,那么与刀刃精确对齐的点会发生什么情况呢?它们会复制吗?它们会消失吗?刀是否会以某种方式滑到刀刃点的一侧或另一侧?这些选项似乎都不令人满意,但如果我们要切断真正连续的东西,我们还有哪些其他选项呢?在某些方面,滑刀选项(奶酪块的对称性被打破)对我来说似乎是最令人不满意的。它表明你永远无法真正将某个东西切成两等份,不是因为人类仪器的不精确,而是因为空间本质上有些奇怪——这种奇怪的影响就是,骨感的一维空间,连欧几里得都发现没有足够有趣的东西可讲。然而奇怪的是,寓言中的第三种选择,即刀必须向左或向右滑动,在一个半世纪前得到了某种证明,当时德国数学家理查德·戴德金(Richard Dedekind,1831 - 1916)开始深入思考实数是什么。切割数轴“你如何定义‘真实’?”——墨菲斯,《黑客帝国》理查德·戴德金是卡尔·弗里德里希·高斯(Carl Friedrich Gauss,1777 - 1855)的最后一位博士生,高斯被许多人视为十九世纪最伟大的数学家。在我的文章《当5不是素数时》中我们认识了戴德金。曲线可以从直线下方到直线上方而不与直线相交吗?但为什么中值定理是正确的呢?怎样才能证明这一点呢?就像戴德金完备公理一样,它不能从欧几里得公理推导出来。事实上,中值定理在逻辑上与戴德金完备性公理等价。每一个都可以从另一个推导出来。⁴有些数系不满足中值定理,如果你为这样的数系画一条数轴,它也不会满足戴德金完备公理。这些就是本文标题中的“赝品”(假冒者)。戴德金完备性是实数系统与它的众多“冒名顶替者”的区别特征。数学家研究的最简单的“假冒者”是二进有理数集(set of dyadic rationals):可以写成 1/2 的某个幂的倍数的数字。如果你想象一把尺子被分成英寸、半英寸、四分之一英寸、八分之一英寸和十六分之一英寸,并想象执行无穷多的平分过程,你会得到二进有理数。这不是一个糟糕的数字系统,它有一个关键属性可以将其与超级“假冒”数字系统(例如 1/1000000 的倍数集)区分开来:对于任意两个不同的二进有理数,它们之间都有1个二进有理数 -- 事实上有无限多个。你可以使用二进有理数尽可能逼近任何数字。更广泛的数字系统是有限十进制小数集合,即可以写成 1/10 的某个幂的倍数的数字。同样,你可以使用它来近似数字,只要你愿意,只要将运算限制在加法、减法和乘法上,就可以了。这个数字系统足以满足许多实际的数学应用。但尝试用一个数字除以另一个数字,你常常会碰壁;例如,在这个系统中你不能将 1 除以 3。有理数系统是实数系统最简单的“假冒”版本,可以让你尽情地进行加、减、乘、除。它适用于很多用途,但不适用于微积分,甚至不适用于代数。如果仅使用x坐标和y坐标均为有理数的点绘制前面的曲线y = x⊃3;的图像,你会发现曲线从y = 2 直线下方到达y = 2 直线上方却从未真正跨越那条直线!尽管完备性公理可以被视为关于分割实数的方式的否定断言——“除了明显的已知方法之外,你永远不会找到任何其他方法将数轴分割成左部分和右部分”——它可以被用来以证明为真的方式来证明特定数字的存在;因为,假设将数轴分割为两个非空集合A和B,使得A的每个元素都小于B的每个元素,该公理告诉我们必须存在一个数c,使得c是A的最大元素或B的最小元素。例如,令A为满足x⊃3;

来源:色香味道

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