一個數字竟引發一場數學史上的大危機

數學 畢達哥拉斯 宇宙 科學 超級數學建模 2018-11-27


一個數字竟引發一場數學史上的大危機


誰為科學劃定禁區

誰就變成科學的敵人


一個數字竟引發一場數學史上的大危機

像往常一樣,實習生小天要去打印室打印一大堆文件。。。

當小天看著一張又一張的A4紙出來的時候,腦海裡突然有個疑問閃現:為什麼A4紙是這個大小呢?其中是不是也有什麼“奧祕”呢?

於是,小天拿出一張A4紙去問萬能的超模君:我有一個疑問,A4紙的大小應該不是隨意定的吧?

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超模君:嗯,果然是聰明的小天,這當然不是隨便定的。

小天:那趕緊給我講講它的由來吧。

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超模君:其實,A4紙就是A0紙對摺4次之後得到的。




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國際標準紙有3大類,分別是:A號紙、 B號紙、 C號紙。其中的A號紙,應用最為廣泛。


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那麼,A號紙作為應用最廣泛的一類紙,它有什麼特別之處呢。

我們假設一長方形的長為a,寬為b,對摺一次後得到的小長方形的長則為b,寬為a/2。

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根據整套A號紙都是經過A0紙對摺而形成的這一特點,可得a:b=b:a/2,化簡可得a²=2b²,再變換一下得到a:b=√2。

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可見,A4紙的大小並不是隨意定的,整套A號紙的長寬之比都是√2。

小天:哦,原來如此。

超模君:對了,可別小看這個根號2,它可是引發第一次數學危機的數字。

小天驚訝:不會吧,這麼厲害?!

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超模君:這就要聽我講講畢達哥拉斯的故事了。


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公元前500年,有一位牛人,叫畢達哥拉斯。如果你對這位牛人有點兒陌生,那畢達哥拉斯定理應該知道吧,那就是:直角三角形中,兩直角邊的平方和等於斜邊的平方

在中國,這被稱為“勾股定理”。

他創辦了一個數學學派,叫做畢達哥拉斯學派,該學派認為:整數就像原子一樣,構成了宇宙中的一切,並可以描述宇宙中的一切。宇宙間各種關係都可以用整數或整數之比來表達,除此之外,就什麼都沒有了。。。

小天:這種想法有點幼稚啊。。。

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超模君:我還沒講完呢。你看看下面的描述,也許你會覺得畢達哥拉斯說的很有道理哦。

先看這個問題:整數,以及兩個整數相除的分數,可以佔滿整個數軸嗎?

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我們從整數(也就是分母為1的分數)開始,把他們放到數軸上:

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接著,在空隙處插入所有分母為2的數字(上面數字的一半)。

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然後再插入分母為4的數字:

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隨著分母的不斷增大,我們插入的數字就會越來越多,插到數軸上的點也將會越來越密集。

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按照這個思路的話,無論多麼小的兩個分數之間,我們都能插入分母都更大的數字插進去。

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小天:咦,好像真的是這樣呢。。。

超模君:但是,這個觀點是完全錯誤的!

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畢達戈拉斯有一個學生,叫希勃索斯。他勤奮好學,善於觀察分析和思考。


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一天,他跑到畢達哥拉斯面前問他:邊長為1的正方形,其對角線的長是多少呢?

畢達哥拉斯聽到這個問題就愣了,根據他證明的定理,邊長為1的正方形的對角線長度的平方應該等於2,那麼什麼數字的平方等於2呢?


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畢達哥拉斯尋找了很久都沒有找到,他希望能找到兩個很大很大的數字相除,結果等於這個數字。但無論找到的分數的分子和分母多大,這個比值都只能很接近,卻不能精確地等於2開平方(當時還沒有√2這種表達方式,只認為它是不可通約的量)。

這與當時畢達哥拉斯學派的“萬物皆數(即有理數)”理論相悖,這一發現使該學派領導人惶恐、惱怒,認為這將動搖他們在學術界的統治地位。。。

於是,畢達哥拉斯學派新規定了一條紀律:誰都不準洩露存在根號2(即無理數)的祕密。

然而,天真的希帕索斯有一次無意中向別人談到了他的發現,結果是他被認為是學派的“逆賊”,被囚禁,受盡百般折磨,最後被投入愛琴海淹死。。。

小天:唉,好遺憾。。。

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超模君:然而,真理畢竟是淹沒不了的,畢氏學派抹殺真理才是“無理”。

人們為了紀念希勃索斯這位為真理而獻身的可敬學者,就把不可通約的量取名為“無理數”(irrational number),之前畢達哥拉斯所認為是宇宙全部的數(整數和兩個整數之比),稱為有理數。

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無理數的發現與後來的“芝諾悖論”(間接因素)掀起了一場數學思想的大革命,科學史上把這件事稱為“第一次數學危機”。


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芝諾認為:一個人從A點走到B點,要先走完路程的1/2,再走完剩下總路程的1/2,再走完剩下的1/2……如此循環下去,永遠不能到終點。假設此人速度不變,走一段的時間每次除以2,時間為實際需要時間的1/2+1/4+1/8+......,則時間限制在實際需要時間以內,即此人與目的地距離可以為任意小,卻到不了。實際上是這個悖論本身限定了時間,當然到達不了。。。


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後來,人們又證明:不僅僅是存在著無理數,而且無理數的數量還遠遠多於有理數。

在上述不斷增大分母插入分數的方法中,我們仔細想想,會發現:無論進行到多少,數軸上都會有著數不清的縫隙,而這些縫隙就是被無理數填滿的。。。

假如我們在0和1之間隨便插一根針,可以說,你有幾乎是100%的概率得到一個無理數!

小天:這概率。。。

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超模君:所以啊,從希勃索斯為知識獻身,人們可以得到這個教訓,“科學是沒有止境的,誰為科學劃定禁區,誰就變成科學的敵人,最終被科學所埋葬”。

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