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无理数与无穷

2019-06-26 · 1060字 · 4分钟

我的直觉告诉我,无理数有某种无穷的性质,奈何我最近才想明白。

不借助任何工具,仅凭眼睛(也就是人之理性固有的能力)能辨别不同的东西(这话有些同义反复,因不能辨别之物便视之同),一串离散的东西,用记忆编号,就是整数的来源(准确说是序数的来源,而基数总是序数已知后的结论)(算术能力)

反过来,给定一串离散的数点,人眼可以找到某数相对应的那个点。找的过程,正是数的过程。

我们知道,整数环对于加、减、乘封闭,而这三种运算,无非是数数的延伸。数系的扩充,其实就是人“找”数能力的增加(当然,在一个东西存在性尚未确定之前,用找这个字似乎不大妥当)

假设我们先验的画出一条直线(这是理性的另一种能力,几何能力)把刚才的那一串离散的点嵌上去。注意,我们等距的嵌上去,这其实是一个新的观念,它既不存在于直线中,也不存在于散点集合里。这种操作,我们可以借助圆规实现(记录固定长度,圆规的刚体运动保持这种长度)。

现在,这些散点已经嵌入直线了。沿用刚才的标号,我们是否还能找回它们呢?仅凭肉眼不能,因为它们嵌入直线,如同水滴入大海,没有一丝一毫的间隙能使我们分开它们(当然哪怕有也不够)用数学的话来说,眼睛的分辨只在离散拓扑下起作用。

此时,拓扑的意义就很重要了,眼睛所以区分两个不同东西,取决于将它们分开的那两个集合,也就是点的分离程度,或日拓扑的粗细。在直线上,区分两个点靠的就是实数公理下的(我们眼睛的延伸)拓扑分辨力。

回到刚才找数的问题上,其实直线上的每个点都是相同的,没什么特别。因而区分是相对的,找数也是相对的。约定一个参考点0和单位长1,把整数重新从直线上找回来,这时整数并不是一堆离散东西的编号,而是一种距离关系。可以说是这种距离关系,才诱发了数系的进一步扩充。

显然,借助圆规可以再次将整数找到,只不过这次,这些点不再是那种离散形态的东西了。

按照求方程根的方法,构造出有理数与代数数。到此为止,代数的努力也达极限。剩下的东西全靠几何:靠极限定义无理数,本身就是在用直线定义直线。可以说,在人们能想象出直线时,无理数就存在了,剩下的就是如何称呼它们、区分它们。十进小数的发明就是出于这种淳朴的想法。

十进小数,无非就是借助极限公理,尽力用代数方法刻画这个几何上的东西。借助它,我们更好的认清了无理数无法被纯代数化的性质,因为它总不可避免地牵涉到无穷(数一个无理数的小数表示就如同数无穷大一样荒谬)。因而十进小数本身蕴含着矛盾,这种矛盾迫使我们要用更新的观点看待它,用更新的手段驾驭它,而这一步跨越,正如同从眼睛到圆规的跨越。

最后的问题是,直线上的每个点都找到归宿了吗?或者说,我们从整数点出发,搭建代数的脚手架,再借助一点分析的工具,能否将整条直线装潢一新?我们现在已经知道了我们的施工范围,问题在于我们的设计图纸上是什么要求?如果我们的要求是最大的线性序域的话,那么答案是肯定的。

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人同此心,心同此理;如风沐面,若水润心