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3.自然数系是无限的;三生万物,这里的“万”泛指无穷之多,永无穷尽。
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愚公移山故事也说:“子又生孙,孙又生子;子又有子,子又有孙;子子孙孙无穷匮也,而山不加增,何苦而不平?”这里的“无穷匮”恰和自然数不断后续的意境相通,即子子孙孙构成了一个无限的自然数集。
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现在让我们来看19世纪意大利数学家佩亚诺(Giuseppe Peano,1858—1932)给出自然数公理。其主旨是用“后继”的操作,描述自然数。佩亚诺的这五条公理是
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(1)1是自然数;
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(2)每一个确定的自然数a,都有一个确定的后继数a′,a′也是自然数;
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(3)如果b、c都是自然数a的后继数,那么b=c;
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(4)1不是任何自然数的后继数;
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(5)任意关于自然数的命题,如果证明了它对自然数1是对的,又假定它对自然数n为真时,可以证明它对n′也真,那么,命题对所有自然数都真(这条公理保证了数学归纳法的正确性)。
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若将0也视作自然数,则公理中的1要换成0。
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只要稍微对照一下,就可以看到《道德经》里关于自然数的叙述,和佩亚诺公理的内涵非常接近。
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20世纪初,集合论成为研究的热点。于是,大数学家冯·诺依曼根据佩亚诺公理,用集合语言把自然数直接构造出来。他从一个空集 出发,给出每一个自然数的后继:即此前所有集合为元素的集合。具体过程如下:
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空集 表示0;
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以空集 为元素的集合{}表示1;
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以 和{}为元素的集合{,{}}表示2;
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以,{}和{,{}}为元素的集合{,{},{,{}}}表示3;
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以前面N个集合为元素构成的新集合,表示N+1
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数学家曾经梦想用最原始的集合语言逐步地构建和描述全部数学,其第一步就是描写自然数。冯·诺依曼的自然数构造方式,把《道德经》里的那几句话严密地写出来了。
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数学文化教程 第二节 杜甫《登高》与数学无限
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数学与诗有密切的关联。著名作家王蒙说道:“最高的数学和最高的诗一样,都充满了想象,充满了智慧,充满了创造,充满了章法,充满了和谐,也充满了挑战。诗和数学又都充满灵感,充满激情,充满人类的精神力量。那些从诗中体验到数学的诗人是好诗人。那些从数学中体会到诗意的人是好数学家。”[1]
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数学是唯一正面进攻“无限”的科学。自然数一个接一个,没完没了。《道德经》说“三生万物”。万物,泛指无穷无尽。不过,无限有两种:一种是没完没了的“潜无限”;另一种是“将无限一览无余”的“实无限”。数学中的无限数列a1,a2,…,an,…就是潜无限。而说“全体自然数”,或者区间[0,1]中的全部实数,则属于“实无限”。“潜无限”和“实无限”之区别,曾是20世纪数学研究中的重大课题。但是我们发现,杜甫的《登高》诗句中已经描述了这种差异:
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风急天高猿啸哀,渚清沙白鸟飞回。
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