无理数是确定的数吗?如果确定,小数位为啥无穷尽呢?


从哲学上来看 。矛盾是无处不存在的 。即便以确定无疑著称的数学也不例外 。数学中有大大小小的许多矛盾 。例如正与负、加与减、微分与积分、有理数与无理数、实数与虚数等等 。在整个数学发展过程中 。还有许多深刻的矛盾 。例如有穷与无穷、连续与离散、存在与构造、逻辑与直观、具体对象与抽象对象、概念与计算等等 。

无理数是确定的数吗?如果确定,小数位为啥无穷尽呢?

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希帕索斯的冤案,无理数的诞生
在古希腊 。有一位了不起的数学家 。叫做毕达哥拉斯 。他创办了一所学院“毕达哥拉斯学院” 。教导了众多的学生 。从而形成了“毕达哥拉斯学派” 。他认为:“数是世界的生存法则 。是主宰生死的力量” 。因而 。他们像崇拜上帝一样重视并推崇数学 。
面对毕达哥拉斯提出的“数只有整数和分数” 。他的学生希帕索斯疑惑:边长为1的正方形 。它的对角线为什么不能用整数之比来表达 ?
无理数是确定的数吗?如果确定,小数位为啥无穷尽呢?

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【无理数是确定的数吗?如果确定,小数位为啥无穷尽呢?】为了维护学派威信 。他们严封帕索斯的发现 。但是“纸是包不住火的” 。该发现还是被许多人知道 。学派“忠实粉”追查出是帕索斯后 。认为其背叛老师 。违背信仰 。他们残忍地将帕索斯扔进了地中海 。
为了纪念他 。人们就把希帕索斯发现的这个矛盾 。叫做希帕索斯悖论 。发现的“新数”称为“无理数” 。正如后人所说的 。“发现无理数的人可以被消灭 。无理数本身却不能被杀戮” 。
此外 。这场“冤案”的出现 。证明直觉和经验不一定靠得住 。推理证明才是可靠的 。至此以后 。希腊人开始由重视计算转向重视推理 。由重视算术转向重视几何学 。并建立几何公理体系 。
无理数是确定的数吗?如果确定,小数位为啥无穷尽呢?

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无理数小数表示的无穷性
要写出一个无理数 。需要将它的所有小数罗列出来 。然而 。这个数列的一个鲜明特点就是无穷性:如果数列是有穷的或是无限循环的 。就证明这个无理数可以被写成两个整数的比 。那么这就应当是一个有理数 。
无穷性的特点只体现在小数的书写中 。但是它说明了一个事实:这些数字的确是一个无穷过程的结果 。假设我们想确认两个无理数是否相等 。那就必须将两个无理数的小数一位一位地比较——这将是一个无止境的工作 。
对无理数的所有运算得到的结果都是无理数 。无理数既是有穷的也是无穷的 。这取决于我们的思考角度:从长度角度来说 。线段是有穷的;但从构成线段的点的数量角度来说 。线段又是无穷的 。
1837年 。数学家Gustav Lejeune Dirichlet发现 。只要你对误差不太在意 。就很容易找到无理数的近似值 。他证明了对于每一个无理数来说 。都存在无穷多个分数与这个数字相近 。
1941年 。物理学家Richard Duffin和数学家Albert Schaeffer提出了一个简单的猜想来回答这些问题 。当要对无理数进行近似时 。首先要选一个无限长的分母序列 。这可以是一个任意数的列表 。比如所有奇数、所有偶数、所有10的倍数 。或者所有质数等等的序列 。因此 。在Duffin-Schaeffer猜想中含有一个专门用来计算每个分母可以给出的唯一分数(最简分数)的数量的项 。这个项被称为欧拉函数 。
但直到到十九世纪下半叶 。实数理论建立后 。无理数本质被彻底搞清 。无理数在数学中合法地位的确立 。才真正彻底、圆满地解决了第一次数学危机 。实数理论的建立 。则有赖于微积分的发展 。因为 。微积分是建立在极限运算基础上的变量数学 。而极限运算 。需要一个封闭的数域 。无理数正是实数域连续性的关键 。变量数学独立建造完备数域的历史任务 。终于在19世纪后半叶 。由魏尔斯特(Weierstrass) 。戴德金(R.Dedekind)、康托(G.Cantor)等人加以完成了 。
1872年 。是近代数学史上最值得纪念的一年 。这一年 。克莱因(F.Kline)提出了著名的“埃尔朗根纲领”(Erlanger Programm) 。魏尔斯特拉斯给出了处处连续但处处不可微函数的著名例子 。也正是在这一年 。实数的三大派理论:戴德金“分割”理论;康托的“基本序列”理论 。以及魏尔斯特拉的“有界单调序列”理论 。同时在德国出现了 。实数的三大派理论本质上是对无理数给出严格定义 。从而建立了完备的实数域 。实数域的构造成功 。使得两千多年来存在于算术与几何之间的鸿沟得以完全填平 。无理数不再是“无理的数”了 。古希腊人的算术连续统的设想 。也终于在严格的科学意义下得以实现 。

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