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五、无穷旅馆:伽利略悖论
无穷大数的方法与此是相同的,即给两组无穷大数列中的每一个数一一配对,如果这两组最后一个都不剩,这两组无穷大就是相等的;如果有一组还有些没有配完,这一组就比另一组大些。这种方法显然是合理且实际上也是唯一可行的方法。但是,当把这种方法实际应用时你却会大吃一惊。举例来说,所有偶数与所有奇数这两个无穷大数列,我们都会直觉到它们的数目相等,应用上述方法也完全符合,因为这两组数可建立一一对应关系:

    1 3 5 7 9 11 13

    2 4 6 8 10 12 14

    这里,这种对应是非常自然的。现在请读者思考一下:所有整数的数目与所有偶数的数目哪一个更多?当然,你会说前者多一些,因为所有的整数不仅包括所有的偶数,而且也包括所有的奇数。然而,这只是人们的直觉。

    如果应用上述方法,你会吃惊地发现,这种直觉是错误的,从下面的对应表就可看出:

    1 2 3 4 5 6

    2 4 6 8 10 12

    根据上述比较无穷大数的原则,偶数的数目与整数的数目是同样多的。

    当然,这个结论看起来是非常荒谬的,因为偶数只是整数的一部分,这与整体大于部分的直觉显然矛盾。由于这种矛盾首先是伽利略发现的,故称“伽利略悖论”。康托尔认为,伽利略悖论并非什么“悖论”。任何两组东西,只要能相互一一对应,就是一样多。“整体大于部分”这条规律只有在有穷的情况下正确。在无穷大的世界里,部分可能等于全体!这就是无穷的本质。

    对于有穷和无穷的特点,著名数学家希尔伯特的一则小故事给予了最好的说明:

    某旅游胜地有一家旅馆,内设有穷个房间。由于是旅游旺季,所以,所有的房间都已客满。这时,来了位客人想订个房间。“对不起,”店主说,“所有房间都住满了”。客人无可奈何地来到另一家旅馆。这家旅馆与别的旅馆并无多大不同,只是房间数不是有穷而是无穷多个,号码为1、2、3这位客人到来时,所有房间也已住满,但他疲惫已极,坚持要住下。旅馆老板只得耐心劝说:“满了就是满了,非常对不起!”正好这时候,聪明的老板的女儿来了。她看见客人和她爸爸都很着急,就说:“这不成问题!请每位房客都搬一下,从这房间搬到下一间。”于是,1号房间的客人搬到2号,2号房间的客人搬到3号依次类推。最后,这位客人住进了已被腾空的1号房间。第二天,又来了一个有无穷多位旅客的庞大旅游团要住旅馆,这下又把老板难住了。老板的女儿又出来解围:“这好办,您让1号房客搬到2号,2号房客搬到4号,3号房客搬到6号这样,l号、3号、5号等单号房间就都空出来了,新来的无穷多位客人就可以住进去了。”

    来多少客人都难不倒聪明的老板女儿,于是,这家旅馆越来越繁荣。后来,老板的女儿考入了大学数学系。有一天,康托尔教授来上课,听说此事后问她一个问题:“你能不能给1寸长线段上的每一点安排一个房间?”

    她绞尽脑汁,想要安排一下,但终于失败了。康托尔教授告诉她,1寸长线段上点的数目和自然数的数目尽管都是无穷的,但却不是一样大的无穷。线段上的点要比自然数的个数多得多,任何想安排下的方案都是行不通的。为了证明,我们给它们建立一一对应关系。

    线段上每一点可用这一点到这条线的一端的距离来表示,而这个距离可写成小数形式:

    点l 0.a11a12a13a14…

    点2 0.a21a22a23a24…

    点3 0.a31a32a33a34…

    ……

    点K 0.ak1ak2a
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