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无理数(现代数学的缺陷)

(2010-12-09 23:29:22)
标签:

数学

无理数

历史

文化

分类: 物理

无理数
   无理数,即非有理数之实数,不能写作两整数之比。若将它写成小数形式,小数点之后的数字有无限多个,并且不会循环。常见的无理数大部分为平方根。无理数的另一特征是无限的连分数表达式。传说中,无理数最早由毕达哥拉斯学派弟子希伯斯发现。他以几何方法证明无理数无法用整数及分数表示。而毕达哥拉斯深信任意数均可用整数及分数表示,不相信无理数的存在。但是他始终无法证明不是无理数,后来希伯斯将无理数透露给外人——此知识外泄一事触犯学派章程——因而被处死,其罪名等同于“渎神”。
目录
1概念
2由来
3教训与反思
4不知是否无理数的数
概念  无理数是实数中不能精确地表示为两个整数之比的数,即无限不循环小数。如圆周率、2的平方根等。
  有理数是所有的分数,整数,它们都可以化成有限小数,或无限循环小数。如7/22等。
  实数(real munber)分为有理数和无理数(irrational number)。
  ·无理数与有理数的区别:
  1、把有理数和无理数都写成小数形式时,有理数能写成有限小数和无限循环小数,
  比如4=4.0, 4/5=0.8, 1/3=0.33333……而无理数只能写成无限不循环小数,
  比如√2=1.414213562…………根据这一点,人们把无理数定义为无限不循环小数.
  2、所有的有理数都可以写成两个整数之比;而无理数不能。根据这一点,有人建议给无理数摘掉“无理”的帽子,把有理数改叫为“比数”,把无理数改叫为“非比数”。本来嘛,无理数并不是不讲    道理,只是人们最初对它不太了解罢了。
  利用有理数和无理数的主要区别,可以证明√2是无理数。
  证明:假设√2不是无理数,而是有理数。
  既然√2是有理数,它必然可以写成两个整数之比的形式:
  √2=p/q
  又由于p和q没有公因数可以约去,所以可以认为p/q 为既约分数,即最简分数形式。
  把 √2=p/q 两边平方
  得 2=(p^2)/(q^2)
  即 2(q^2)=p^2
  由于2q^2是偶数,p 必定为偶数,设p=2m
  由 2(q^2)=4(m^2)
  得 q^2=2m^2
  同理q必然也为偶数,设q=2n
  既然p和q都是偶数,他们必定有公因数2,这与前面假设p/q是既约分数矛盾。这个矛盾是有假设√2是有理数引起的。因此√2是无理数。
   回到顶部由来   毕达哥拉斯(Pythagqras,约公元前885年至公元前400年间),从小就很聪明,一次他背着柴禾从街上走过,一位长者见他捆柴的方法与别人不同,便说:“这孩子有数学奇才,将来会成为一个大学者。”他闻听此言,便摔掉柴禾南渡地中海到泰勒斯门下去求学。毕达哥拉斯本来就极聪明,经泰勒一指点,许多数学难题在他的手下便迎刃而解。其中,他证明了三角形的内角和等于180度;能算出你若要用瓷砖铺地,则只有用正三角、正四角、正六角三种正多角砖才能刚好将地铺满,还证明了世界上只有五种正多面体,即:正4、6、8、12、20面体。他还发现了奇数、偶数、三角数、四角数、完全数、友数,直到毕达哥拉斯数。然而他最伟大的成就是发现了后来以他的名字命名的毕达哥拉斯定理(勾股弦定理),即:直角三角形两直角边为边长的正方形的面积之和等于以斜边为边长的正方形的面积。据说,这是当时毕达哥拉斯在寺庙里见工匠们用方砖铺地,经常要计算面积,于是便发明了此法。
  毕达哥拉斯将数学知识运用得纯熟之后,觉得不能只满足于用来算题解题,于是他试着从数学领域扩大到哲学,用数的观点去解释一下世界。经过一番刻苦实践,他提出“凡物皆数”的观点,数的元素就是万物的元素,世界是由数组成的,世界上的一切没有不可以用数来表示的,数本身就是世界的秩序。毕达哥拉斯还在自己的周围建立了一个青年兄弟会。在他死后大约200年,他的门徒们把这种理论加以研究发展,形成了一个强大的毕达哥拉斯学派。
  一天,学派的成员们刚开完一个学术讨论会,正坐着游船出来领略山水风光,以驱散一天的疲劳。这天,风和日丽,海风轻轻的吹,荡起层层波浪,大家心里很高兴。一个满脸胡子的学者看着辽阔的海面兴奋地说:“毕达哥拉斯先生的理论一点都不错。你们看这海浪一层一层,波峰浪谷,就好像奇数、偶数相间一样。世界就是数字的秩序。”“是的,是的。”这时一个正在摇桨的大个子插进来说:“就说这小船和大海吧。用小船去量海水,肯定能得出一个精确的数字。一切事物之间都是可以用数字互相表示的。”
  “我看不一定。”这时船尾的一个学者突然提问了,他沉静地说:“要是量到最后,不是整数呢?”
  “那就是小数。”“要是小数既除不尽,又不能循环呢?”
  “不可能,世界上的一切东西,都可以相互用数字直接准确地表达出来。”
  这时,那个学者以一种不想再争辩的口气冷静地说:“并不是世界上一切事物都可以用我们现在知道的数来互相表示,就以毕达哥拉斯先生研究最多的直角三角形来说吧,假如是等腰直角三角形,你就无法用一个直角边准确地量出斜边来。”
  这个提问的学者叫希帕索斯(Hippasus),他在毕达哥拉斯学派中是一个聪明、好学、有独立思考能力的青年数学家。今天要不是因为争论,还不想发表自己这个新见解呢。那个摇桨的大个子一听这话就停下手来大叫着:“不可能,先生的理论置之四海皆准。”希帕索斯眨了眨聪明的大眼,伸出两手,用两个虎口比成一个等腰直角三角形说:
  “如果直边是3,斜边是几?”
  “4。”
  “再准确些?”
  “4.2。”
  “再准确些?”
  “4.24。”
  “再准确些呢?”
  大个子的脸涨得绯红,一时答不上来。希帕索斯说:“你就再往后数上10位、20位也不能算是最精确的。我演算了很多次,任何等腰直角三角形的一边与余边,都不能用一个精确的数字表示出来。”这话像一声晴天霹雳,全船立即响起一阵怒吼:“你敢违背毕达哥拉斯先生的理论,敢破坏我们学派的信条!敢不相信数字就是世界!”希帕索斯这时十分冷静,他说:“我这是个新的发现,就是毕达哥拉斯先生在世也会奖赏我的。你们可以随时去验证。”可是人们不听他的解释,愤怒地喊着:“叛逆!先生的不肖门徒。”“打死他!批死他!”大胡子冲上来,当胸给了他一拳。希帕索斯抗议着:“你们无视科学,你们竟这样无理!”“捍卫学派的信条永远有理。”这时大个子也冲了过来,猛地将他抱起:“我们给你一个最高的奖赏吧!”说着就把希帕索斯扔进了海里。蓝色的海水很快淹没了他的躯体,再也没有出来。这时,天空飘过几朵白云,海面掠过几只水鸟,一场风波过后,这地中海海滨又显得那样宁静了。
  一位很有才华的数学家就这样被奴隶专制制度的学阀们毁灭了。但是这倒真使人们看清了希帕索斯的思想价值。这次事件后,毕达哥拉斯学派的成员们确实发现不但等腰直角三角形的直角边无法去量准斜边,而且圆的直径也无法去量尽圆周,那个数字是3.1415926535897932384626……更是永远也无法精确。慢慢地,他们感觉后悔了,后悔杀死希帕索斯的无理行动。他们渐渐明白了,明白了直觉并不是绝对可靠的,有的东西必须靠科学的证明;他们明白了,过去他们所认识的数字“0”,自然数等有理数之外,还有一些无限的不能循环的小数,这确实是一种新发现的数——应该叫它“无理数”。这个名字反映了数学的本来面貌,但也真实的记录了毕达哥拉斯学派中学阀的蛮横无理。
  由无理数引发的数学危机一直延续到19世纪。1872年,德国数学家戴德金从连续性的要求出发,用有理数的“分割”来定义无理数,并把实数理论建立在严格的科学基础上,从而结束了无理数被认为“无理”的时代,也结束了持续2000多年的数学史上的第一次大危机。    
  教训与反思 :

   科学不等于圣洁。科学家不等于道德高尚。这样的教训古今都有。公元前500年,古希腊毕达哥拉斯(Pythagoras)学派的弟(Hippasus)发现无理数,却被处死。
  历史的教训在于给人类以教益。科学完全走出政治强权的阴影,完全走出李森科之流的阴影,这在今天仍然是人类的一项艰巨的任务。控制论的创立者诺伯特·维纳的话提供了这一事件的反思:“科学是一种生活方式,它只在人们具有信仰自由的时候才能繁荣起来。基于外界的命令而被迫去遵从的信仰并不是什么信仰,基于这种假信仰而建立起来的社会必然会由于瘫痪而导致灭亡,因为在这样的社会里,科学没有健康生长的基础。”
  事实上,科学的存在和发展中一个永恒的问题是标准与创新的矛盾。一方面,科学知识的出现必然形成相关的评判正误的标准,另一方面,科学知识出现的过程就是对原有标准突破的过程,因此也必然受到原有标准的限制或压制。这就需要我们更深刻地反思两种科学的悲剧:一种是推行错误的标准所导致的后果;另一种是肆意创新所带来的人道主义灾难。聂文涛面向基层医院适宜技术培训讲演中说:人类推行糖尿病“限制碳水化合物”饮食标准(John rollo标准),到重新执行“高碳水化合物”标准(如北京协和医院标准),这期间无数患者因为错误的糖尿病饮食治疗进一步丧失了健康。医学界要如何面对这样的情况?该讲演引发的强烈震动,正在于他提出了一个深刻的科学伦理问题。
  斯蒂芬·茨威格在《异端的权利》原文中的两段话:“(卡斯特里奥与加尔文)在这场战争中,存在着一个范围大得多并且是永恒的生死攸关的问题。”“每一个国家,每一个时代,每一个有思想的人,都不得不多次确定自由和权力间的界标。因为,如果缺乏权力,自由就会退化为放纵,混乱随之发生;另一方面,除非济以自由,权力就会成为暴政。”这两段话隐藏着这样的意思:(1)应该给所有持异端见解的人证明自己的权利,或者说一切反对异端见解的人必须提供证据;(2)所有持异端见解的人都需要证明自己的正确,而无需在此之前抱怨社会的不理解。(3)所谓科学发展的意义,正在于改变人类原有的认识。因此,选择错误是一种权利,否则就没有科学探索的合理性。

    欧拉-马歇罗尼常数 γ 是否无理数。

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