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老药师肯定在此山里,但是究竟在什么地方,却并不知道:云深不知处。贾岛并非数学家,但是细细品味,觉得其诗的意境,简直是为数学而作。
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数学文化教程 第四节 欣赏数学的特定内涵:等价类
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“物以类聚,人以群分。”数学讲究分类,尤其是等价类。让我们从分数说起。
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分数,是小学学习的一道“坎”,令很多人感到困难。难在何处?难在通分。明明是同一个分数,老是化来化去,难以捉摸。那么,为什么要通分?原因在于一个分数实际上是一个大家庭。这里用到一个很深刻的思想:“等价类”。
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正本清源,我们必须从“数系扩张”这个源头说起。
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什么是分数?分数是,q≠0,p,q都是整数。自然数只有一种表示法。但是到了“分数”,就发生“多种表示”的问题了。如在3.2节中所述,一个分数,其表示形式却并不唯一。两个面貌不同分数却彼此相等,这是以前学习自然数时,从未碰到过的数学现象。
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这就是说,一个分数实际上属于一个群体,其中所有分数彼此相等。在有理数系里,每一个数都是一个无限多个相等的数组成的“类”:称为“等价类”。所谓两个分数相等,是指它们都属于同一个“等价类”,或者说,分数是以“等价类”的形式存在着的,不同的分数属于不同的“等价类”。
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依照通常的思考,既然相等,选一个代表就行了,要那么多等价的分数做什么?确实,作为分数的等价类,一个特殊的代表是有的,就是最简分数。但是,最简分数作为代表有时候并不方便,需要在等价类中找出适当分数表示才能参与运算。例如,两个分数都是最简分数,却不能用来相加。还得把以两个分母的最小公倍数为分母的那一个特殊表示找出来,即写成,才能彼此相加。这就是说,分数等价类中每一个表示,各有各的用处,都有特定的价值。分数的这个特点,既有学习难度,又有思想高度,是一个重要的数学思想方法。
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有了分数的相等性定义之后,借助通分,可以定义分数的四则运算,一切就从自然数进入到新的有理数系了。
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于是产生了一个联想:自然数向有理数的扩张,好像个体的原始人向家族过渡。一个个的家族,无非是具有血缘关系的一个关于人的等价类。
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恩格斯的《家庭、私有制和国家的起源》自1884年10月在苏黎世问世至今,已有一百多年了。马克思主义为了追溯国家产生的历史,就得先探讨私有财产的起源,进而阐述家庭的起源和发展。
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在人类历史初期,人们不知道财产私有为何物,一切生产资料和生活资料均归集体所有。个人财产最先只限于装饰品和衣服(兽皮)一类贴身之物,接着是归个人使用的工具和武器。但这仅仅是形式而已,他们并不懂得占有的意义。后来,随着生产力的发展,除了自己享用之外,渐渐有了多余的物品,并成为私有财产。私有财产促进了“家族”和“家庭”的产生。福建的圆形家族建筑(图4.4.1),生动地体现了家族在社会中的重要性。家族的进一步发展,也就出现了至高无上的一个皇朝家族。它可以统治和奴役其他家族,这就是国家的出现。家族、国家都是一个群体,按照一定的关系将人归为一个等价类。如果说,自然数相当于原始社会的个人,那么有理数系相当于一个血缘连接的家族。后来的实数(有理数组成的收敛数列)则是权力、利益相关的更复杂的“家族群”——国家。
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▲ 图4.4.1 福建龙岩的圆形家族建筑
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说白一点,我们不妨比喻:“每一个分数都是一个大家庭”。一个家庭有许多人格上平等的成员,可以有一个户主(最简分数)。但是,每个家庭成员各有各的作用,爸爸耕田,妈妈织布,爷爷养花,奶奶管家,小明读书。在通分的时候,最简分数和每一个扩分,都会派上用处。用这样的比方来认识作为等价类的“分数”,是否比较直白易懂呢?[2]
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实数,也是一个等价类。它由有理数组成的无限数列组成,它们收敛于同一个“数”。例如,可以表示为许多不同的有理数组成的无穷数列:
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{1.4,1.41,1.414,1.414 2,…}(的不足近似值组成)。同时,它也可以表示为
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{1.5,1.42,1.415,1.414 3,…}(的过剩近似值组成)。这就是说,收敛于同一个数的不同序列组成了一个等价类。
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让我们再进一步比喻。如果说,一个个的家族,还是鸡犬之声相闻,彼此都熟悉,那么许多家族组成的大家族群体(国家),彼此就不见得熟悉了。血缘家族之外,还有朋党、官场、职场等按照权力和利益划分的人群:彼此相关的“等价类”。
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