无穷
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数列或函数变化的趋势.
1. 无穷大
我们为什么难以理解无限的世界?
无穷大不是一般静态数值, 它反映一种趋势, 无限增加的趋势.
无穷大的比较, 要看基数.
1.1. 希尔伯特悖论
假如一个酒店有很多房间, 每一个都住满了客人, 这时你去酒店问, 还能给我安排一间房子吗? 老板一定说: 「对不起, 所有的房间都住上了客人, 没有办法安排您了. 」
但是, 如果你去一家拥有无限多个房间的旅馆, 情况可能就不同了. 虽然所有的房间均已客满, 但是老板还是能帮你「挤出」一间空房的.
他只要这样做就可以了. 他对服务生讲, 将原先在1号房间的客人安排到2号房间, 将2 号房间原有的客人安排到3号房间, 以此类推, 这样空出来的1号房间就可以给你了. 类似的, 如果来了十个、八个人, 也可以用这种方式安排进「已经满客」的酒店.
接下来的问题来了, 既然每个房间都被现有的客人占据了, 怎么又能挤下新的客人? 因此我们说这是悖论. 但是「旅馆悖论」其实并不是真正意义上的数学悖论, 它仅仅是与我们直觉相悖而已.
在我们的直觉中, 每个房间都被占据, 和无法再增加客人是等同的, 但这只是在有限的世界里的等价性, 在无穷大的世界里, 数学中的很多逻辑都需要重新梳理一遍. 我们在有限的世界里得到的很多结论, 放到无穷大的世界里, 需要重新检验, 有些能够成立, 有些不成立.
比如说在有限的世界里, 一个数加上1就不等于这个数了, 因为比它大1, 但是在无穷大的世界里, 这条结论就不成立, 因为无穷大加1还是无穷大, 就如酒店悖论中的那个酒店一样, 再增加一个客人, 酒店依然能够容纳得下.
2. 无穷小
2.1. 如何说服「杠精」芝诺?
- 悖论一(二分法悖论): 从A点到B点是不可能的.
- 悖论二(阿喀琉斯悖论): 阿喀琉斯追不上乌龟.
- 悖论三(飞箭不动悖论): 射出去的箭是静止的.
- 悖论四(基本空间和相对运动悖论): 两匹马跑的总距离等于一匹马跑的距离.
2.2. 定义:
- 不是零;
- 绝对值小于任何一个给定的数.
2.3. 无穷多个无限小量加起来有三种情况:
- 一个有限的数;
- 无穷大;
- 无穷小.
2.4. 牛顿和贝克莱在争什么?
无穷小能不能等于零
微积分的意义: 让人类的认知从静态或宏观变化进入到把握瞬间动态变化和加速变化.
某个时代发现的危机, 同时代的人常常是想不清楚的, 需要后面的人发展新理论来解决.
3. 用动态和极限的眼光看世界
柯西对极限的认知: 极限是客观存在的, 极限的最大特征是「无限逼近」, 最后趋同.
魏尔斯特拉斯对极限的描述: 任意给一个小的数字?, 如果总能找到一个数字M, 当N比M 大之后, 上面那个序列和2的差距小于?.
无穷小是一种特殊的极限.
要完善数学上的那些「漏洞」, 就要引入新的概念, 把原来数学的体系扩大为新的体系. 「漏洞」不是数学本身的漏洞, 而是我们人认识上的漏洞.
为什么需要把数学体系扩大呢? 因为任何封闭体系内所遇到的漏洞, 在这个体系内是无法弥补的. 用中国话讲, 叫做「不识庐山真面目, 只缘身在此山中」. 而在扩大体系的过程中, 最重要的是把问题的定义搞清楚. 人与人之间在沟通中最重要的基础, 就是对定义有共同认知.
4. 无穷之间的比较
虽然无穷大和无穷小不是具体的数, 但它们也能比较大小, 比的不是具体的数值, 而是变化的趋势. 变化趋势快的, 叫做高阶, 变化趋势慢的, 叫做低阶.
很多个低阶无穷大, 加在一起增长的速率都比不上一个高阶的.
计算机算法所关心的, 是当问题很大时, 不同算法的计算量以什么速度增长.
无穷大和无穷大相加相乘, 结果都是无穷大; 无穷小之间做加减乘, 结果都是无穷小.
无穷大除以无穷大, 无穷小除以无穷小, 结果要看分子分母谁的变化快.
无穷大乘以无穷小, 结果可以是一个常数, 零, 或者无穷大, 就看它们谁的阶数更高.