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越位科普系列--數(shù)學(xué)篇之“數(shù)的構(gòu)造”
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來(lái)個(gè)搬門(mén)弄斧。若有錯(cuò)誤之處,請(qǐng)不吝指出。 原文鏈接 近世代數(shù)(群論、環(huán)、域理論)給出了數(shù)的骨架結(jié)構(gòu); 集合論關(guān)于無(wú)窮的論述相當(dāng)于了數(shù)的血肉; 而測(cè)度論賦予了數(shù)應(yīng)有的氣息。 另外,文中沒(méi)有談皮亞諾關(guān)于自然數(shù)的公理系統(tǒng)。 |
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金蟲(chóng) (正式寫(xiě)手)
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那我帖一下吧,是微博長(zhǎng)文 ------------------- 越位科普系列按: 最近中國(guó)科學(xué)家們都忙著發(fā)文章,作者只好冒險(xiǎn)越位科普科普。但作者知識(shí)水平有限,若有錯(cuò)誤或不理解之處請(qǐng)不吝指出。另外需要提醒在校學(xué)生謹(jǐn)記科普不能代替專業(yè)學(xué)習(xí),真正深入的學(xué)習(xí)還得找專業(yè)的書(shū)籍,因此本系列每篇文章最后都會(huì)附上專業(yè)參考書(shū)及一些概念更精確的定義。 ------ 我們每天都在跟數(shù)打交道,早上起來(lái),看了一下手機(jī),唉啊9點(diǎn)30分了,要遲到了,先看看股票吧,嗯3200多點(diǎn),跌了一點(diǎn)點(diǎn),那支股票我每股12元買入的,現(xiàn)在都跌到6塊5了,讓我算算虧了多少錢(qián)...... 如此看來(lái),似乎我們都很懂?dāng)?shù)。最起碼小華覺(jué)得他懂有理數(shù),然后集合論的發(fā)明者康托問(wèn)小華那你知道有理數(shù)和整數(shù)誰(shuí)的個(gè)數(shù)多嗎?小華一想有理數(shù)包括了整數(shù),因此說(shuō)有理數(shù)多?低姓f(shuō),看來(lái)你還是不太懂?dāng)?shù)。后來(lái)康托又問(wèn)小華下面幾個(gè)問(wèn)題,他大多都沒(méi)答上來(lái)。 1、有幾種數(shù)呢? 簡(jiǎn)答(后期唐僧): 整數(shù)(...-1,0,1,2...)、有理數(shù)(2/3,1.5,1,7/8...)、實(shí)數(shù)(Pi, 2.12,√3...)、復(fù)數(shù)(i, 1+2i,...)。其中整數(shù)通常稱為整數(shù)環(huán)(Integer Ring), 其它三種有理數(shù),實(shí)數(shù),復(fù)數(shù)稱為數(shù)域(field),可嚴(yán)格證明它們是僅有三種可交換的無(wú)限數(shù)域。對(duì)了你先別問(wèn)我什么是數(shù)域,我叫正常唐僧告訴你,或者見(jiàn)附錄。 長(zhǎng)答(正常唐僧): 不好意思,我說(shuō)話有點(diǎn)JJWW,若不想聽(tīng),可直覺(jué)跳至下一問(wèn)。當(dāng)然有自然數(shù)、整數(shù),其中自然數(shù){0,1,2,3...}就是非負(fù)整數(shù),我默認(rèn)你們都知道什么是整數(shù)。在整數(shù)里你可以有加減乘除,其中任何兩個(gè)整數(shù)加減仍然為整數(shù),有時(shí)我們說(shuō)整數(shù)對(duì)加減法閉合,但兩個(gè)整數(shù)相除不一定為整數(shù),此時(shí)數(shù)學(xué)家會(huì)說(shuō)整數(shù)對(duì)加法成“群”,對(duì)乘法不成群,這種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)通常被稱為“環(huán)”或叫整數(shù)環(huán)。 你會(huì)問(wèn)兩個(gè)整數(shù)相除除不盡咋辦,那簡(jiǎn)單把除不盡的數(shù)包括進(jìn)來(lái)統(tǒng)稱為有理數(shù)就行了,此時(shí)有理數(shù)顯然比整數(shù)要“完美”,因?yàn)樗鼘?duì)加法閉合,除去0對(duì)乘法也閉合,即有理數(shù)就成“域”了,通俗一點(diǎn)講就是:有理數(shù)通過(guò)加法和乘法這兩種滾法是滾不出有理數(shù)這個(gè)域的。事實(shí)上,有理數(shù)是最小的無(wú)限數(shù)域。 貌似事情就這么結(jié)束了,但好事者說(shuō)a*a我好像可以定義成叫a的平方,然后大家就會(huì)倒過(guò)來(lái)想,比如什么的平方等于2?完了,這下滾到外面去了,這個(gè)數(shù)不是有理數(shù)!我們直接寫(xiě)成根號(hào)2,即√2=1.414....,好,再把其它通通都包括進(jìn)來(lái),于是我們把有理數(shù)又進(jìn)一步擴(kuò)展成實(shí)數(shù)域(它包含了有理數(shù)和無(wú)理數(shù))。實(shí)數(shù)域的數(shù)在實(shí)數(shù)軸上表達(dá)起來(lái)很直觀,嗯,這下事情總算結(jié)束了吧?雌饋(lái)實(shí)數(shù)已經(jīng)真的包含了所有的數(shù),而且似乎也很完美。 等等,那什么的平方等于-1?一開(kāi)始大家都覺(jué)得-1的開(kāi)平方無(wú)意義。但人們發(fā)現(xiàn)解n次方程時(shí),一般都有n個(gè)解,但不知道為什么有時(shí)少于n個(gè)解(即使算上簡(jiǎn)并解),若把-1開(kāi)平方當(dāng)成有意義的話,人們就發(fā)現(xiàn)所有的n次方程都是n個(gè)解了。因此,從對(duì)稱性上考慮,我們似乎應(yīng)該把i=√-1也得看成一個(gè)數(shù),此時(shí)你會(huì)問(wèn)i的本質(zhì)是什么?其實(shí)i的本質(zhì)就是它的平方等于-1,就像2的本質(zhì)就是1的后繼者一樣。于是,人們很快發(fā)現(xiàn)把i囊括進(jìn)來(lái)后,很容易把實(shí)數(shù)拓展到一個(gè)全新的數(shù)域即復(fù)數(shù)域,它把實(shí)數(shù)域里沒(méi)能展現(xiàn)出來(lái)的對(duì)稱性都展現(xiàn)出來(lái)了。這下基本上再怎么好動(dòng)也滾不出去復(fù)數(shù)域了。比如,在實(shí)數(shù)域內(nèi)三角函數(shù)sinx,cosx看起似乎有點(diǎn)關(guān)聯(lián)又不太一樣,但它們?nèi)粼趶?fù)數(shù)域則可以表達(dá)成一個(gè)統(tǒng)一的函數(shù)exp(ix),此時(shí)就對(duì)稱多了,因?yàn)橹暗膹?fù)雜的sin(x+y)展開(kāi)公式到了這就只是exp(i(x+y))=exp(ix)*exp(iy)這么簡(jiǎn)單了,對(duì)稱性暴露無(wú)余,或者叫本來(lái)在復(fù)數(shù)域極為對(duì)稱的數(shù)學(xué)構(gòu)造投影在實(shí)數(shù)軸上,只露出一個(gè)不太規(guī)則的截面。 正是由于復(fù)數(shù)域極佳的對(duì)稱性,同學(xué)們會(huì)發(fā)現(xiàn)物理學(xué)領(lǐng)域到處可見(jiàn)復(fù)數(shù)的蹤影,主要是因?yàn)槲锢韺W(xué)也是極其講究對(duì)稱性的學(xué)科(即便看起來(lái)這類數(shù)有點(diǎn)虛)。 當(dāng)然,除了這三種數(shù)域,還有四元數(shù),但對(duì)乘法不交換。另外,還有一類外爾代數(shù)里的數(shù),這種數(shù)交換后改變符號(hào),即a*b=-b*a, 這樣就會(huì)出現(xiàn)a^n=0(n>=2)這種情形,這種數(shù)適合描述費(fèi)米子對(duì)應(yīng)的場(chǎng)。 2、每種數(shù)的個(gè)數(shù)一樣多嗎? 簡(jiǎn)答(后期唐僧): 整數(shù)與有理數(shù)的個(gè)數(shù)一樣多,可數(shù)無(wú)窮多個(gè),即可以一個(gè)個(gè)列下去(即使是無(wú)窮多個(gè))。但實(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)比有理數(shù)要多,為不可數(shù)無(wú)窮多個(gè),即你不可能找到一個(gè)把實(shí)數(shù)一個(gè)個(gè)無(wú)窮排下去的方案告訴別人這是所有的實(shí)數(shù);如果有理數(shù)個(gè)數(shù)為N個(gè)的話,實(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)就為2的N次方個(gè)。而復(fù)數(shù)的個(gè)數(shù)跟實(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)一樣多,比如實(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)為H個(gè)的話,復(fù)數(shù)的個(gè)數(shù)應(yīng)該為H^2仍然等于H個(gè)(但2^H大于H,無(wú)窮大的數(shù)的計(jì)算中,一般只有無(wú)窮大出現(xiàn)在指數(shù)上時(shí)才有可能產(chǎn)生更大的數(shù))。 長(zhǎng)答(正常唐僧):或許對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,你只要記住后期唐僧說(shuō)的話就行了。具體的解釋呢,我會(huì)嘗試嘮叨點(diǎn),但不要期望太高。 這個(gè)問(wèn)題其實(shí)本質(zhì)上涉及到什么是無(wú)窮以及無(wú)窮的種類。在康托之前,人類對(duì)于無(wú)窮的認(rèn)識(shí)極其含糊?低型ㄟ^(guò)構(gòu)建他的集合論,借助映射這個(gè)強(qiáng)大的工具,終于能夠分析比較不同集合的大小,他發(fā)現(xiàn)有理數(shù)和整數(shù)可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的映射,因此它們的個(gè)數(shù)一樣多,你或許會(huì)覺(jué)得有理數(shù)好像多了許多,而且似乎也不能列成一串變成所謂的可數(shù)無(wú)窮,但康托通過(guò)把有理數(shù)m/n表達(dá)成數(shù)對(duì)(m,n),再把它斜角重排連線后就會(huì)發(fā)現(xiàn),可變成一串可數(shù)無(wú)窮。 然后,康托證明了人類史上幾乎是最偉大的數(shù)學(xué)證明,他發(fā)現(xiàn)實(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)比有理數(shù)多!后來(lái),他用了一個(gè)更簡(jiǎn)單的對(duì)角論證法(wiki diagonal argument)重新證明了這一論點(diǎn)。作者認(rèn)為他的這個(gè)發(fā)現(xiàn)在人類思想史的重要性比愛(ài)因斯坦的相對(duì)論還重要。 而復(fù)數(shù)的個(gè)數(shù)與實(shí)數(shù)個(gè)數(shù)一樣多,另外甚至n維空間里的點(diǎn)的個(gè)數(shù)也跟實(shí)數(shù)的個(gè)數(shù)一樣多,這里不要混淆體積與集合大小這兩個(gè)概念。這可能也有點(diǎn)不好理解。而實(shí)數(shù)函數(shù)的總的個(gè)數(shù)為2^H比實(shí)數(shù)個(gè)數(shù)要多。 2、0到1之間所有有理數(shù)的總長(zhǎng)度為多少? 簡(jiǎn)答(后期唐僧):當(dāng)然我們知道所有數(shù)的總長(zhǎng)為1,這里定義的長(zhǎng)度一般稱為測(cè)度。有理數(shù)的總長(zhǎng)度為0,實(shí)數(shù)的總長(zhǎng)度為1。這似乎給人一種感覺(jué),有理數(shù)雖然貌似非常密,任意兩個(gè)離得再近的有理數(shù)之間仍然可以再塞進(jìn)新的有理數(shù),但有理數(shù)似乎仍然是“漏水”的,而實(shí)數(shù)則真是密不透風(fēng),具體這部分的回答還是直接看書(shū)比較好。貧僧只能幫到這了。 長(zhǎng)答(正常唐僧):走,西竺。 --------- 附錄: 推薦書(shū)目:姚慕生,《抽象代數(shù)學(xué)》,復(fù)旦大學(xué)出版社 胡適耕,《實(shí)變函數(shù)》,高等教育出版社 克萊因,《古今數(shù)學(xué)思想史》 ------- 基本概念: 群:非空集合G上定義有一運(yùn)算(如乘法)a*b 使得該運(yùn)算滿足 封閉性:a,b屬于G則,a*b也屬于G 結(jié)合性:(a*b)*c=a*(b*c) 單位元:存在單位元e,使得G任意元素都有a*e=e*a = a 逆元:對(duì)G任意元素a,存在b使得,a*b=e 環(huán):一個(gè)集合R定義有兩種運(yùn)算(+和*),且滿足以下三個(gè)公理 R對(duì)加法成交換群 R對(duì)乘法為存在單位元的半群,即封閉、滿足結(jié)合率,有單位元,但有些元素沒(méi)逆元。 乘法對(duì)加法滿足分配律:a*(b+c)=a*b+a*c 域:一個(gè)集合F有兩種運(yùn)算(+和*),且對(duì)加法成群,F(xiàn)-{0}后對(duì)乘法成群,乘法對(duì)加法滿足分配律。 對(duì)角論證: 反證法,假設(shè)0到1之間的實(shí)數(shù)也是可數(shù)無(wú)窮,那么假設(shè)s1,s2,s3,s4,s5,....包含了所有實(shí)數(shù),并把它寫(xiě)成二進(jìn)制(前面省略了0.)。現(xiàn)在構(gòu)造一個(gè)數(shù)s使得它的第i位與si的第i位互補(bǔ),那么顯然s不屬于s1,s2,s3,....序列中的任意一個(gè),這與開(kāi)始假設(shè)這個(gè)序列包含所有實(shí)數(shù)相矛盾。 |



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