首先說結論,整數和偶數是一樣多的。
看起來很反直覺,因為先不說負數,就是正整數,1、2、3、4、5、6、7、8,正偶數只是2、4、6、8,看起來就比整數少,你要是問100以內整數多還是偶數多,那答案一定是整數比較多。但一旦涉及到無窮大∞,這個事就不能這麼看了。
首先整數和偶數都是有無窮多個的,兩個無窮大的集合要比較大小,就不可能一一窮舉,所以數學上是比較“勢”的大小,如果兩個集合之間的所有元素都能建立一一對應關係,那我們就說兩個集合是等勢的,也就是數量一樣多。
所謂一一對應,其實很好理解。在有限集合的情況下,比如我有一袋零錢,你有一袋糖果,都有很多個,我們想比較一下硬幣多還是糖果多。除了各自去數,更直觀的方法就是我拿出一枚硬幣,你拿出一顆糖,放在一起,然後我再拿出一枚硬幣,你再拿顆糖,再放一起,直到有一方拿不出東西了,還有剩餘的一方就比較多,這就是一一對應。
把這個定義拓展到無限,道理也是相同的,但是涉及到∞的運算會產生一些反直覺的效果,比如整數明明包含了偶數,卻和偶數“一樣多”。
關於無限,感興趣的話可以看看希爾伯特的酒店這個問題,我簡單說一下。
有個酒店,房間有無窮多個,而且都已經住滿了人,這時又來了一個人想住宿,怎麼辦呢?
如果是普通酒店當然就沒辦法,但無窮多房間的希爾伯特酒店可以辦到。
老闆讓1號房間的人搬到2號房間,2號房間的人搬到3號房間,3號房間搬到4號房間,以此類推,因為房間有∞個,所以無論怎麼+1,都可以找到下一個房間。那麼,n號房的人搬到n+1號房,這樣1號房就空出來了,那個人可以住下。
這其實就是∞和∞+1哪個更大的問題,因為可以建立一一對應關係,所以∞=∞+1。
那如果現在來了10000個人,能不能住下呢?也可以。
和剛才一樣,n號房間的人搬到n+10000號房,同樣因為房間是∞個,無論怎麼+10000,都能找到對應的房間,所以∞=∞+10000。
重點來了,現在來了個偶數旅行團,有∞個人,編號2、4、6、8、10、12...,他們不僅想住店,還想住進和自己編號相同的房間,這回還能住下嗎?當然可以。
這次老闆讓1號房不要動,讓2號房間的人搬到3號房間,3號房搬到5號房,4號房搬到7號房,5號房搬到9號房,以此類推,n號房間搬到2n-1號房。
這樣一來,不僅原來的房客有新房住,所有的偶數號房間也空出來了,偶數旅行團的人還是可以住下。
所以全體正偶數和正整數仍然是等勢的,也就是一樣多的,因為不論如何計算2n-1,都能找到對應。
那麼算上負數的情況也是一樣的,-2n+1,也都能對應一個負奇數,負偶數就被空出來了。
事情還沒完,如果現在來了∞個巴士,每個巴士上又有∞個人,這些人還能住進希爾伯特酒店嗎?
竟然還可以。
我們只要再從整數中找一個等勢的∞集合就行了,比如全體質數。
歐幾里德已經證明了質數有∞個,就是2、3、5、7、11、13、17、19、23、29....這些數,所以這次老闆讓原來的所有人搬到以第一個質數2為底的冪次號房間去,1號房搬到2號房,2號房搬到2²號房,3號房搬到2³號房,以此類推,原來幾號房,就搬到2的幾次冪號房去,這樣原來的人就都安排好了。
接下來開始接待巴士上的人,一號車上的人住進第二個質數3的冪次號房,同樣第幾個人就住3的幾次冪號房。
繼續安排,二號車的人住5的冪次號房,三號車的人住7的冪次號房,四號車住11的冪次號房,最終因為質數有∞個,又因為每輛車的人都是以不同質數為底做冪次,所以結果不會重複,最終這無窮無盡的人還是被希爾伯特酒店吞下了。
所以,這幾種集合的勢都是相等的,因為不論是用數學方法還是窮舉法,都沒法找到反例,那麼我們說它們就是相等的。
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再補充一點,有人可能會說,你看你舉的例子,來了一個偶數旅行團,結果他們居然住進已經滿房的酒店了,這不就是說明偶數比整數少嗎?
那我們不妨把例子反過來。
假如有一個希爾伯特偶數酒店,房間編號2、4、6、8、10、12、14...一直到∞,已經滿房了,現在來了一個整數旅行團,∞人,編號1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11...,他們能住進希爾伯特偶數酒店嗎?
必須可以啊。
還是找到一個對應關係就可以了,2號房的人搬到6號房,4號房搬到10號房,6號房搬到14號房,8號房搬到18號房,以此類推,n號房間的人搬到2n+2號房,空出來的就可以住新人了,還是一一對應的。
這回沒問題了吧!
首先說結論,整數和偶數是一樣多的。
看起來很反直覺,因為先不說負數,就是正整數,1、2、3、4、5、6、7、8,正偶數只是2、4、6、8,看起來就比整數少,你要是問100以內整數多還是偶數多,那答案一定是整數比較多。但一旦涉及到無窮大∞,這個事就不能這麼看了。
首先整數和偶數都是有無窮多個的,兩個無窮大的集合要比較大小,就不可能一一窮舉,所以數學上是比較“勢”的大小,如果兩個集合之間的所有元素都能建立一一對應關係,那我們就說兩個集合是等勢的,也就是數量一樣多。
所謂一一對應,其實很好理解。在有限集合的情況下,比如我有一袋零錢,你有一袋糖果,都有很多個,我們想比較一下硬幣多還是糖果多。除了各自去數,更直觀的方法就是我拿出一枚硬幣,你拿出一顆糖,放在一起,然後我再拿出一枚硬幣,你再拿顆糖,再放一起,直到有一方拿不出東西了,還有剩餘的一方就比較多,這就是一一對應。
把這個定義拓展到無限,道理也是相同的,但是涉及到∞的運算會產生一些反直覺的效果,比如整數明明包含了偶數,卻和偶數“一樣多”。
關於無限,感興趣的話可以看看希爾伯特的酒店這個問題,我簡單說一下。
有個酒店,房間有無窮多個,而且都已經住滿了人,這時又來了一個人想住宿,怎麼辦呢?
如果是普通酒店當然就沒辦法,但無窮多房間的希爾伯特酒店可以辦到。
老闆讓1號房間的人搬到2號房間,2號房間的人搬到3號房間,3號房間搬到4號房間,以此類推,因為房間有∞個,所以無論怎麼+1,都可以找到下一個房間。那麼,n號房的人搬到n+1號房,這樣1號房就空出來了,那個人可以住下。
這其實就是∞和∞+1哪個更大的問題,因為可以建立一一對應關係,所以∞=∞+1。
那如果現在來了10000個人,能不能住下呢?也可以。
和剛才一樣,n號房間的人搬到n+10000號房,同樣因為房間是∞個,無論怎麼+10000,都能找到對應的房間,所以∞=∞+10000。
重點來了,現在來了個偶數旅行團,有∞個人,編號2、4、6、8、10、12...,他們不僅想住店,還想住進和自己編號相同的房間,這回還能住下嗎?當然可以。
這次老闆讓1號房不要動,讓2號房間的人搬到3號房間,3號房搬到5號房,4號房搬到7號房,5號房搬到9號房,以此類推,n號房間搬到2n-1號房。
這樣一來,不僅原來的房客有新房住,所有的偶數號房間也空出來了,偶數旅行團的人還是可以住下。
所以全體正偶數和正整數仍然是等勢的,也就是一樣多的,因為不論如何計算2n-1,都能找到對應。
那麼算上負數的情況也是一樣的,-2n+1,也都能對應一個負奇數,負偶數就被空出來了。
事情還沒完,如果現在來了∞個巴士,每個巴士上又有∞個人,這些人還能住進希爾伯特酒店嗎?
竟然還可以。
我們只要再從整數中找一個等勢的∞集合就行了,比如全體質數。
歐幾里德已經證明了質數有∞個,就是2、3、5、7、11、13、17、19、23、29....這些數,所以這次老闆讓原來的所有人搬到以第一個質數2為底的冪次號房間去,1號房搬到2號房,2號房搬到2²號房,3號房搬到2³號房,以此類推,原來幾號房,就搬到2的幾次冪號房去,這樣原來的人就都安排好了。
接下來開始接待巴士上的人,一號車上的人住進第二個質數3的冪次號房,同樣第幾個人就住3的幾次冪號房。
繼續安排,二號車的人住5的冪次號房,三號車的人住7的冪次號房,四號車住11的冪次號房,最終因為質數有∞個,又因為每輛車的人都是以不同質數為底做冪次,所以結果不會重複,最終這無窮無盡的人還是被希爾伯特酒店吞下了。
所以,這幾種集合的勢都是相等的,因為不論是用數學方法還是窮舉法,都沒法找到反例,那麼我們說它們就是相等的。
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再補充一點,有人可能會說,你看你舉的例子,來了一個偶數旅行團,結果他們居然住進已經滿房的酒店了,這不就是說明偶數比整數少嗎?
那我們不妨把例子反過來。
假如有一個希爾伯特偶數酒店,房間編號2、4、6、8、10、12、14...一直到∞,已經滿房了,現在來了一個整數旅行團,∞人,編號1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11...,他們能住進希爾伯特偶數酒店嗎?
必須可以啊。
還是找到一個對應關係就可以了,2號房的人搬到6號房,4號房搬到10號房,6號房搬到14號房,8號房搬到18號房,以此類推,n號房間的人搬到2n+2號房,空出來的就可以住新人了,還是一一對應的。
這回沒問題了吧!