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无穷大是不是一个数字呢?尽管我们有时候把它当作一个数字,但实际上它并不是数字。粗略地说,数学界可能会这样理解无穷大的概念:
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∞+ 1 =∞ ∞+∞ =∞ 5×∞= ∞= 0
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从技术上讲,最大的数字是不存在的,因为我们总是可以加上1,得到一个更大的数字。从本质上讲,∞这个符号的意思是“任意大”,或者说大于所有正数。同理,–∞的意思是这个数字比所有负数都小。顺便告诉大家,∞–∞(无穷大减去无穷大)和1/0都无解。大家可能会认为1/0 =∞,因为1被越来越小的数除,商应该越来越大。但是,如果我们用越来越接近0的负数去除1,商就会朝着负数的方向渐行渐远。
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12堂魔力数学课 等比数列和喝啤酒的数学家
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先来思考一个数学界普遍认可,但大多数人第一眼见到时都觉得不正确的命题:
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0.999 99… = 1
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所有人都承认这两个数字非常接近,也可以说是无比接近,但很多人仍然认为不应该把它们视为同一个数。下面,我将提供不同的证据,证明这两个数字其实相等。我希望其中至少有一个解释可以让你感到满意。
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如果大家认为下面这个等式成立
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= 0.333 33…
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那么,最简便的证明方法可能就是在上式两边同时乘以3,然后得到:
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1 == 0.999 99…
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第二种证明方法是本书第6章用过的循环小数计算方法。我们用变量w来表示无穷小数展开式:
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w= 0.999 99…
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在等式两边同时乘以10,就会得到:
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10w= 9.999 99…
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再用第二个等式减去第一个等式:
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9w= 9.000 00…
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由此得到:w= 1。
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下面这种证明方法无须使用任何代数运算。如果两个数字不相等,那么它们中间必然存在一个不等于它们的数字(例如平均数)。大家对于这句话应该没有异议吧?我们采用反证法,假设0.999 99…与1是两个不相等的数字。在这种情况下,它们中间是否存在其他数字呢?如果无法找到这样的数字,就说明0.999 99…与1不可能是两个不相等的数字。
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如果两个数字或者两个无穷和彼此之间无限接近,我们就说这两个数字或无穷和相等。换句话说,你随便选一个正数,比如0.01、0.000 000 1或者十亿分之一,这两个数字之间的差都比你选的这个数字小。由于1和0.999 99…的差小于任意正数,因此数学界一致认为这两个数字是相等的。
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同理,我们可以算出下面这个无穷级数的和:
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