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可以与正整数集形成一一对应关系的集合叫作“可列集”,可列集的无穷大阶数最低。元素可以一一排序的集合都是可列集,因为在排列时,第一个元素对应1,第二个元素对应2,以此类推。
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包含所有整数的集无法按照由小到大的顺序一一排列(哪个数字应该排在第一位?):
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…–3,–2,–1,0,1,2,3…
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但是,这些数字可以下面这种方式排列:
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0,1,–1,2,–2,3,–3…
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也就是说,整数集是可列集,它的大小与正整数集相同。
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正有理数集呢?该集合的所有元素都是m/n形式的数字,其中m和n是正整数。也许你不相信,但正有理数集确实是可列集,因为它的元素可以按照下面这种方式排列:
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,,,,,,,,,…
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在排列时,我们按照分子、分母的和来确定各个元素的先后次序。由于这个排列方式可将所有有理数都涵盖在内,因此正有理数集也是可列集。
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延伸阅读
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是否存在不是可列集的无穷数字集呢?德国数学家格奥尔格·康托尔(Georg Cantor,1845~1918)证明,0~1之间的所有实数构成的集合是不可列集。你也许想按照下列方式或者其他类似方式来列举这些实数:
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0.1,0.2,…,0.9,0.01,0.02,…,0.99,0.001,0.002,… 0.999,…
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但是,只有那些位数有限的数字才会被列举出来,而像1/3 =0.333…这样的数字永远也不会出现。是不是可以想出更有创意的办法,列举出所有实数呢?康托尔通过以下方法证明这是不可能做到的。他先假设实数可以一一排列,然后他给出了一个具体的例子,比如这个排列的前几个元素是:
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0.314 159 265…
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0.271 828 459…
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0.618 033 988…
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0.123 581 321…
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…
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我们可以找出一个不属于这个排列的实数,从而证明这个排列是不完整的。具体来说,这个实数就是0.r1r2r3r4…,其中r1是0~9的整数且不同于该排列的第一个数字的第一位数(在本例中,r1≠ 3),r2则不同于该排列的第二个数字的第二位数(在本例中,r2≠ 7),以此类推。比如,这个数字可以是0.267 4…。这样的数字是不可能出现在上述排列中的,这个数字与排列中的第100万个数字有什么不同?答案是它们的第100万位数字不相同。因此,无论你想出什么样的排列方法,都必然会遗漏某些数字,从而证明实数是不可列集。这个证明方法被称为“康托尔对角线证明法”,不过我宁愿称之为“康托尔举例证明法”。(抱歉。)
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从本质上讲,我们已经证明无理数远比有理数多,尽管有理数也有无穷多个。你在实数线上随机选择一个实数,几乎可以肯定这个数字是无理数。
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