隨筆 | 無限個數(shù)的相乘彪置,0.999... = 1

知乎上有一個問題,是這么問的:

1 如果無限除以 2 會等于多少蝇恶?

這個問題乍一看上去拳魁,會有點不知所云的感覺。題主問道撮弧,答案是一個無限小的數(shù)潘懊,還是直接等于0。后面又說贿衍,假設答案是0授舟,那么定義一個數(shù)a=無限個2相乘,豈不是有\frac{1}{a} = \frac{2}{a}贸辈,同乘a就是1=2了释树?

還有另一個經(jīng)久不衰的問題,或者說命題擎淤,是這個樣子的:

0.999... = 1

很多人依然覺得“差了這一點奢啥,為什么會相等”,對此無法理解揉燃。當然扫尺,也有不少看上去非常有道理的證明筋栋,比如0.999... = 0.333... * 3 = 1 / 3 * 3 = 1炊汤。

以上問題,關鍵都在于如何理解“無限”弊攘。


初學微積分的時候抢腐,應該不少人都會被所謂的“\varepsilon - N語言”弄得一頭霧水,也不知道為什么要用這么多的條件襟交。比如定義數(shù)列極限迈倍,連續(xù)著有這么多個說法:

——存在A \in \mathbb{R}……

——對于任意的\varepsilon > 0……

——存在N \in \mathbb{N}……

——使得當n > N時……

——恒有|x_n-A| < \varepsilon……

——則稱數(shù)列的極限為A.

除了結果,條件攏共五句話捣域,而且缺一不可啼染,就算是硬背下來都要花不少時間。

在這個定義之后還有一個記法焕梅,是這么寫的:

\lim_{n \to ∞} x_n=A

這里就是初學者遇到的第一個陷阱:至少咱學的書迹鹅,在表述這個記法之前,還沒有解釋這里的無窮符號贞言。在初等數(shù)學的思想下斜棚,初學者很可能就將無窮理解為“一個很大的數(shù)”了:就和本文開始時的那個問題描述一樣。

然而,當學習到不定式的時候弟蚀,這種理解就會出現(xiàn)問題了:如果是一個很大的數(shù)蚤霞,那么\frac{\infty}{\infty}, 1^\infty這樣的式子,為什么不直接等于1义钉,而是由具體的式子決定呢昧绣?


從直覺上說,不管無窮是什么樣的東西捶闸,它至少應該有這么一個性質:不管列出什么數(shù)滞乙,無窮都應該比這個數(shù)大。就算說1000...000鉴嗤,一共有10000個0斩启,這么大的一個數(shù),都比無窮要小醉锅。

這樣的說法固然有些籠統(tǒng)兔簇。考慮到這個性質在于比較硬耍,我們不妨拿函數(shù)來構思一下無窮的具體定義垄琐。

大家都知道,tan(\frac{\pi}{2})的結果無定義经柴。但是狸窘,我們可以看到,在接近這個值的時候坯认,函數(shù)的值是不斷上升的翻擒,而且往著幾乎無窮大的地方前進。既然如此牛哺,如果說陋气,有一個值x_0 \in [0,\frac{\pi}{2}),使得f(x_0) = \infty引润,那么巩趁,理當有,無論給定什么數(shù)淳附,例如10000000议慰,我們都能說,x_0比這個數(shù)都更接近\frac{\pi}{2}奴曙,也就是說别凹,f(x_0)>f(arctan(10000000))


從初等數(shù)學到高等數(shù)學的飛躍就在這里:既然你都能給定一個x_0缆毁,而且又不等于\frac{\pi}{2}了番川,顯然\frac{\pi}{2} - x_0 >0!那么,只要我令x_1 = x_0 +\Delta x, 0 < \Delta x < \frac{\pi}{2} - x_0颁督,不就有f(x_1)>f(x_0)了嗎践啄?最開始定義的f(x_0) = \infty顯然就名不副實了。

為什么說微積分將運動帶進了數(shù)學里面沉御?這就是因為屿讽,在你拿出一個可以比較的值之前,x_0不會有一個確值吠裆!它就像一個會走的變量一樣伐谈,無論你拿出什么樣的大數(shù),當你試圖把它拿來與x_0比較的時候试疙,x_0都會比這個數(shù)大那么一些诵棵。

所以,所謂的n \to \infty祝旷,不是說n的值達到了一個非常大的狀態(tài)酝碳,而是說n處在了這種動態(tài)的趨近狀態(tài)椅贱,而且是趨向于無窮大战虏。


回頭看看\varepsilon - N語言的內容相叁,實際上,它就是在用嚴謹?shù)男g語表述類似的事情:

——在給出一個確定正值\varepsilon 之前吻谋,都不會有一個確定的N忠蝗,讓你定義x_n去和A計算差值。

——一旦你給出了\varepsilon \forall \varepsilon > 0)漓拾,那么才可以確定N\exists N \in \mathbb{N}, s.t. n >N)阁最。

——而以此確定的x_n,與A計算差值晦攒,就是滿足小于\varepsilon 的(|x_n-A| < \varepsilon)闽撤。


一些具體的例子可能會更方便理解得哆。有人說脯颜,不為0的數(shù)相乘不會等于0。在有限個數(shù)相乘的情況下贩据,確是如此栋操,所以乍一看,好像這個命題沒錯饱亮。

但是我們可以這么構造數(shù)列x_n = \frac{1}{2^n}矾芙。自然,n是多少近上,x_n就代表著有多少個\frac{1}{2}相乘剔宪。顯然,無論n多大,我們都能算出x_n的確定數(shù)值葱绒。而n \to \infty感帅,也就是無限個\frac{1}{2}相乘的時候,就意味著地淀,不管給出一個多大的確值a失球,都有x_n< x_a。顯然帮毁,若我們想知道\lim_{n\to \infty}x_n = A是多少实苞,就沒法用相乘的形式獲得答案。

不過烈疚,在\varepsilon - N語言的語境下黔牵,只要看看什么樣的數(shù)滿足|x_n-A| < \varepsilon,就能知道無限個\frac{1}{2}相乘的結果了爷肝。答案當然就是A = 0荧止。也就是說,在無限個數(shù)相乘的情況下阶剑,不為0的數(shù)也能相乘得到0這個結果跃巡。

這同時也解答了開頭的第一個問題:1 如果無限除以 2 會等于多少?答案當然就是0牧愁。知乎上素邪,有一個回答短平快地指出了題主接下來的錯誤所在:定義a=無限個2相乘?不猪半,你不能兔朦。這是因為,答主就犯了一個錯誤:將無限的數(shù)相乘看作確值磨确。無限的東西總是處在動態(tài)的沽甥,此定義下的a代表不是一個確值,而是趨近無窮的過程——所以也就不可能存在“同乘一個a抵消分母”的操作了乏奥。


再看看后面:為什么0.999... = 1摆舟?既然有無限的概念,我們再用初等數(shù)學的想法去思考這個題目就不太合適了邓了。和剛才一樣恨诱,我們可以構造x_n = 0.999...99, 小數(shù)點后共有n個9。對于一個確定的0.999...99骗炉,我們當然知道它和1是存在差距的:0.000...01照宝,就差一點點

但是句葵,考慮\lim_{n\to \infty}x_n的時候厕鹃,就算我們詰問:“x_n或許和1差了一點點兢仰!”,并且拿出這個“一點點”剂碴,x_n都會抱歉地說:對不起旨别,我和1的差距比你的“一點點”還要少!那么汗茄,不管我們怎么不愿相信秸弛,在\varepsilon - N語言下,0.999... 就是等于1洪碳。


本文只是淺顯地討論了一下递览,限于筆者的知識水平,可能存在錯漏之處瞳腌,還請各位讀者斧正绞铃!

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