石大数学文化课件02若干数学问题中的数学文化-2有限与无限的问题

1第二章第二章 若干数学问题中的若干数学问题中的 数学文化数学文化第二节第二节 有限与无限的问题有限与无限的问题 2高等数学与初等数学的区别？高等数学与初等数学的区别？3学生的回答：学生的回答：关于关于“高等数学与初等数学的区别？高等数学与初等数学的区别？”更加全面；更加全面；更加深刻；更加深刻；更加细微；更加细微；更加本质；更加本质；更加理论化；更加理论化；更加系统化；更加系统化；4高等数学与初等数学的区别？高等数学与初等数学的区别？从从 研究研究“常量常量”发展到研究发展到研究“变量变量”从从 研究研究“有限有限”发展到研究发展到研究“无限无限”5 一、什么是悖论一、什么是悖论 悖论：从“正确”的前提出发，经过“正确”的逻辑推理，得出荒谬的结论。6 例如：“甲是乙”与“甲不是乙”这两个命题中总有一个是错的；但“本句话是七个字”与“本句话不是七个字”又均是对的，这就是悖论。7 再如：“万物皆数”学说认为“任何数都可表为整数的比”；但以1为边的正方形的对角线之长却不能表为整数的比，这也是悖论。8 二、芝诺悖论二、芝诺悖论 芝诺（前490？前430？）是（南意大利的）爱利亚学派创始人巴门尼德的学生。他企图证明该学派的学说：“多”和“变”是虚幻的，不可分的“一”及“静止的存在”才是唯一真实的；运动只是假象。于是他设计了四个例证，人称“芝诺悖论”。这些悖论是从哲学角度提出的。我们从数学角度看其中的一个悖论。9 1.四个芝诺悖论之一：四个芝诺悖论之一：阿基里斯追不上乌龟。阿基里斯追不上乌龟。102.症结：症结：无限段长度的和，可能是有限的；无限段长度的和，可能是有限的；无限段时间的和，也可能是有限的。无限段时间的和，也可能是有限的。3.芝诺悖论的意义：芝诺悖论的意义：1）促进了严格、求证数学的发展）促进了严格、求证数学的发展 2）较早的）较早的“反证法反证法”及及“无限无限”的思想的思想 3）尖锐地提出离散与连续的矛盾：）尖锐地提出离散与连续的矛盾：空间和时间有没有最小的单位？空间和时间有没有最小的单位？11 芝诺的前两个悖论是反对芝诺的前两个悖论是反对“空间和时间是连空间和时间是连续的续的”，后两个悖论则是反对，后两个悖论则是反对“空间和时间是离空间和时间是离散的散的”。在芝诺看来，这两种理论都有毛病；所。在芝诺看来，这两种理论都有毛病；所以，以，“运动只是假象，不动不变才是真实运动只是假象，不动不变才是真实”。芝诺的哲学观点虽然不对，但是，他如此尖锐芝诺的哲学观点虽然不对，但是，他如此尖锐地提出了空间和时间是连续还是离散的问题，引地提出了空间和时间是连续还是离散的问题，引起人们长期的讨论，促进了认识的发展，不能不起人们长期的讨论，促进了认识的发展，不能不说是巨大的贡献。说是巨大的贡献。12 三、三、“有无限个房间有无限个房间”的旅馆的旅馆 1.“客满客满”后又来后又来1位客人位客人（“客满客满”）1 2 3 4 k 2 3 4 5 k+1 空出了空出了1 1号房间号房间 13 2.客客 满满 后后 又又 来来 了了 一一 个个 旅旅 游游 团团，旅旅 游游 团团中有无穷个客人中有无穷个客人 1 2 3 4 k 2 4 6 8 2k 空下了奇数号房间空下了奇数号房间 14 3.客满后又来了一万个旅游团，每个团客满后又来了一万个旅游团，每个团中都有无穷个客人中都有无穷个客人 1 2 3 4 k 10001 20002 30003 40004 10001k 给出了一万个、又一万个的空房间给出了一万个、又一万个的空房间 15全面、深刻地揭示本质的回答全面、深刻地揭示本质的回答是容易推广的。是容易推广的。16 2.客客 满满 后后 又又 来来 了了 一一 个个 旅旅 游游 团团，旅旅 游游 团团中有无穷个客人中有无穷个客人 1 2 3 4 k 2 4 6 8 2k 空下了奇数号房间空下了奇数号房间 17 3.客满后又来了一万个旅游团，每个团客满后又来了一万个旅游团，每个团中都有无穷个客人中都有无穷个客人 1 2 3 4 k 10001 20002 30003 40004 10001k 给出了一万个、又一万个的空房间给出了一万个、又一万个的空房间 18是否有人想提什么问题？是否有人想提什么问题？19 4.思思 该旅馆客满后又来了无穷个该旅馆客满后又来了无穷个旅游团，每个团中都有无穷个客人，旅游团，每个团中都有无穷个客人，还能否安排？还能否安排？20 四、无限与有限的区别和联系四、无限与有限的区别和联系 1.区别区别 1 1）在无限集中，在无限集中，“部分可以等于全体部分可以等于全体”（这是无限的本质），而在有限的情况下，（这是无限的本质），而在有限的情况下，部分总是小于全体。部分总是小于全体。21 当初的当初的伽利略悖论伽利略悖论，就是因为没有看到，就是因为没有看到 “无限无限”的这一个特点而产生的。的这一个特点而产生的。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 n 1 4 9 16 25 36 49 64 81 100 121 n2 该两集合：有一一对应，于是推出两集合的该两集合：有一一对应，于是推出两集合的元素个数相等；但由元素个数相等；但由“部分小于全体部分小于全体”，又推，又推出两集合的元素个数不相等。这就形成悖论。出两集合的元素个数不相等。这就形成悖论。22伽利略（Galileo Galilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。23 思思：构造一个构造一个“部分到整体的一部分到整体的一一对应一对应”：从：从0 0，1 1）0 0，+）。）。24 2.2.）“有限有限”时成立的许多命题，对时成立的许多命题，对“无无限限”不再成立不再成立 （1 1）实数加法的结合律）实数加法的结合律 在在“有限有限”的情况下，加法结合律的情况下，加法结合律 成立成立:(a+b)+ca+b)+c=a+(b+ca+(b+c)，a a，b b，c c 25 在在“无限无限”的情况下，加法结合律不的情况下，加法结合律不再成立。如再成立。如26 有限半群若满足消去律则一定是群。有限半群若满足消去律则一定是群。无限半群若满足消去律则一定是群。无限半群若满足消去律则一定是群。27 （2 2）有限级数一定有）有限级数一定有“和和”。是个确定的数是个确定的数 无穷级数一定有无穷级数一定有“和和”。则不是个确定的数。称为该则不是个确定的数。称为该 级数级数“发散发散”。反之称为。反之称为“收敛收敛”。28 2.2.联系联系 在在“有限有限”与与“无限无限”间建立联系的手段，往间建立联系的手段，往往很重要。往很重要。1）数学归纳法）数学归纳法 通过有限的步骤，证明了命通过有限的步骤，证明了命题对无限个自然数均成立。题对无限个自然数均成立。2）极限）极限 通过有限的方法，描写无限的过程。通过有限的方法，描写无限的过程。如：如：；自然数自然数N N，都，都 ，使，使 时，时，。29 3）无穷级数）无穷级数 通过有限的步骤，求出无限次运算的结果，如 4）递推公式）递推公式 ,a a1 1=*=*5）因子链条件）因子链条件（抽象代数中的术语）30 3.数学中的无限在生活中的反映数学中的无限在生活中的反映 1 1）大烟囱是圆的：每一块砖都是直的）大烟囱是圆的：每一块砖都是直的 （整体看又是圆的）（整体看又是圆的）2 2）锉刀锉一个光滑零件：）锉刀锉一个光滑零件：每一锉锉下去都是直的每一锉锉下去都是直的 （许多刀合在一起的效果又是光滑的）（许多刀合在一起的效果又是光滑的）31 3 3）不规则图形的面积：正方形的面积，长方形的不规则图形的面积：正方形的面积，长方形的面积三角形的面积，多边形的面积，圆面积。面积三角形的面积，多边形的面积，圆面积。规则图形的面积规则图形的面积不规则图形的面积？不规则图形的面积？法法.用方格套（想像成透明的）。方格越小，所得面用方格套（想像成透明的）。方格越小，所得面积越准积越准 32 法法.首先转化成求曲边梯形的面积，（不规首先转化成求曲边梯形的面积，（不规则图形则图形若干个曲边梯形），再设法求曲边梯形若干个曲边梯形），再设法求曲边梯形的面积：划分，求和，的面积：划分，求和，矩形面积之和矩形面积之和 曲边梯形面积；曲边梯形面积；越小，就越精确；再取极越小，就越精确；再取极 限限 ，就得到曲，就得到曲边梯形的面积。边梯形的面积。33 五、五、潜无限与实无限潜无限与实无限 1潜无限与实无限简史潜无限与实无限简史 潜无限是指把无限看成一个永无终止的过程，潜无限是指把无限看成一个永无终止的过程，认为无限只存在于人们的思维中，只是说话的一认为无限只存在于人们的思维中，只是说话的一种方式，不是一个实体。种方式，不是一个实体。34 从古希腊到康托以前的大多数哲学家和数学从古希腊到康托以前的大多数哲学家和数学家都持这种潜无限的观点。他们认为家都持这种潜无限的观点。他们认为“正整数集正整数集是无限的是无限的”来自我们不能穷举所有正整数。例如，来自我们不能穷举所有正整数。例如，可以想象一个个正整数写在一张张小纸条上，从可以想象一个个正整数写在一张张小纸条上，从1 1，2 2，3 3，写起，每写一张，就把该纸条装进一写起，每写一张，就把该纸条装进一个大袋子里，那么，这一过程将永无终止。个大袋子里，那么，这一过程将永无终止。因此，把全体正整数的袋子看作一个实体是不因此，把全体正整数的袋子看作一个实体是不可能的，它只能存在于人们的思维里。可能的，它只能存在于人们的思维里。35 但康托不同意这一观点，他很愿意把这个但康托不同意这一观点，他很愿意把这个装有所有正整数的袋子看作一个完整的实体。装有所有正整数的袋子看作一个完整的实体。这就是实无限的观点。这就是实无限的观点。康托的工作是划时代的，对现代数学产生了巨康托的工作是划时代的，对现代数学产生了巨大的影响，但当时，康托的老师克罗内克尔，大的影响，但当时，康托的老师克罗内克尔，却激烈反对康托的观点。所以康托当时的处境却激烈反对康托的观点。所以康托当时的处境和待遇都不太好。和待遇都不太好。36康托康托Georg Ferdinand Philip Cantor(18451918)德国数学家，集合论的创始者。1845年3月3日生于圣彼得堡（今苏联列宁格勒），1918年1月6日病逝于哈雷。1862年17岁时入瑞士苏黎世大学,翌年转入柏林大学,主修数学，从学于E.E.库默尔、K.（T.W.）外尔斯特拉斯和L.克罗内克。1866年曾去格丁根学习一学期。1867年在库默尔指导下以数论方面的论文获博士学位。1869年在哈雷大学通过讲师资格考试，后即在该大学任讲师，1872年任副教授，1879年任教授。37 2无限集合也有无限集合也有“大小大小”从从“一一对应一一对应”说起说起 实无限的观点让我们知道，同样是无限集合，也可能实无限的观点让我们知道，同样是无限集合，也可能有不同的有不同的“大小大小”。正整数集合是最正整数集合是最“小小”的无限集合。的无限集合。实数集合比正整数集实数集合比正整数集“大大”。实数集合上全体连续函。实数集合上全体连续函数的集合又比实数集合更大。数的集合又比实数集合更大。不存在最不存在最“大大”的无限集合（即对于任何无限集合，的无限集合（即对于任何无限集合，都能找到更都能找到更“大大”的无限集合）。的无限集合）。38 这需要这需要“一一对应一一对应”的观点。的观点。1 1）“一一对应一一对应”双射（单射双射（单射+满射）满射）2 2）集合的势）集合的势|A|A|集合中元素的多少集合中元素的多少 3 3）|N|=|N|=可数无穷势可数无穷势 a ，|Q|=|Q|=a 4 4）|R|=|R|=不可数无穷（称连续统势不可数无穷（称连续统势 c c）,：无理数比有理数多得多。：无理数比有理数多得多。39 5 5）无穷集合可能有不同的势，其中最小的势）无穷集合可能有不同的势，其中最小的势是是 a a；不存在最大的势。；不存在最大的势。6 6）“连续统假设连续统假设”长期未彻