数学中的有限和无限

1数学中的有限和无限庄清清摘要本文主要总结了数学中有限与无限的关系，通过实例讨论了无限是有限的基础，无限是由有限构成的，有限由无限组成，无限是有限的延伸，并讨论了它们的质的区别以及相互关系，为更好的理解有限和无限的关系提供了一些参考.关键词有限，无限关系1引言“数学是讲述无限的科学.”这句话是代表20世纪数学界辉煌发展的著名数学家、美国普林斯顿高级研究所魏尔教授的至理名言.怎么听起来，这话让人感觉有些奇特而难以捉摸，但事实上数学中的无限的确蕴含着许多令人不可思议奥秘的东西.然而，以前人们都认为数学是有限的，直到笛卡尔引入的坐标法以及微积分的问世之后，人们才清醒地意识到数学是从有限向无限发展的.这一个发现，结束了初等数学年代而进入了变量数学年代.美国数学史家贝尔说“没有一个一致的数学无限理论,就没有无理数理论，就没有与我们现在所有的即便稍许相似的、任何形式的数学分析,最后,没有分析,像现在存有的大部分数学——包括几何和大部分的应用数学——就不存在了”.由此可见,无限在现代科学数学发展领域中占据着十分重要的地位，甚至可以说，没有无限的延伸，就没有现代的科学数学.在我们的日常生活当中，我们一般都习惯了数学领域的有限性，因为我们所接触的东西大多数都可以摁摁手指或者脚趾就可以数得清楚了，有限的人，有限的杯子，有限的盘子等等，于是无限的领域就像个无底洞，让我们觉得高深莫测了，但是当我们仔细地想一想，就会清楚地发现数学中，无限其实是由有限构成，而有限又包含着无限，两者相互交叉，相互联系，就例如我们生活中最常见的一条绳子，你就可以将它剪成无数的小段一样，另外我们大家所熟悉的自然数序列“1，2，3，4，5，6，7，8，9，,n,”，当你一个个数字的去数，你就会发现自然数序列实际上是一个永远在增长着的没完没了的数列，这就是所谓简单而又让人费解的数学中的无限领域，然而，它又恰恰是由一个个有限的单位组成的.无限是如此的神秘，“自古以来，没有别的问题像无限这样深深地激动过人的情绪，没有别的想法像它这样富有成效地焕发过人的精神.同时，也没有别的概念像它这样迫切需要澄清”[]1.它引发了三次数学危机：第一次危机发生在公元前580～568年之间的古希腊，数学家毕达哥拉斯建立了毕达哥拉斯学派，他们错误地认为，宇宙间的一切现象都归结为整数或整数之比.第二次数学危机发生在十七世纪.十七世纪微积分诞生后，由于推敲微积分的理论基础问题，数学界出现混乱局面，即第二次数学危机.第三次数学危机发生在1902年，罗素悖论的产生震撼了整个数学界，号称天衣无缝，绝对正确的数学出现了自相矛盾.这三次数学危机都使人们深刻地认识到无限的重要性.下面我们观察一下几个式子2π001.004.01.03;91101101101;71818181;41515151;31003.003.03.0323232我们可以得到无限个数的和可以是个有限数，另外我们还学过微积分，由此我们都知道任何积分都是一个趋于无限过程的结果，各种不同的积分有不同的趋于无限过程与结果.数学中的无限只有在与有限的辩证统一中去考虑，才能被理解，才能被运用，而在数学上，有限与无限的转化条件是：运用分析运算，微积分，极限等等手段来进行的，数学中的有限与无限是那么的复杂，那么下面我们就来探讨数学中有限与无限的区别与联系.2.无限是有限的基础给出两条铅垂线，只要它们没有交点，我们就认为它们是平行的，直线在数学中是没有明确的定义的，我们只知道，直线是可以无限的向两端延伸的，延伸的次数没有限制，延伸的长度也是没有限制的，那么在地面上当它无限延伸的时候，两条直线必定会相交于一点，那就是地心，那么我们说的平行线也就是错误的说法了？未必，只要我们说的那两条直线是有限的就行了，所以那是我们在无限的基础上说的有限.再如，投掷硬币的概率，那是我们在熟悉不过的事情了，我们习惯说投掷一枚硬币得到正反面的概率都是12，假如我投掷硬币十次得到3次正面,7次反面呢,那我说投掷硬币得到正面的概率是310，反面的概率是710，你也不能说我的结果是错误的吧.实际上，我们平常说的概率12，那是在做了无数次的实验后得到的近似值，都是以无限为基础而得到的结果.如果没有了无限这个基础，那么我们所得到的概率也是不客观的.有限的运算建立在无限的基础上，无限就像空气一样，虽然你看不到它的存在，但是你却不能忽视它的存在，因为它时时刻刻都在我们身边.另外，10.99999正确吗？0n1limn，1n11limn又正确吗？显然，按照现代的数学知识理论，它是正确的，但是它却又必须要建立在无限的基础上才能被认可.3.无限是由有限构成的有这样的一个故事，它是出自杰出的数学家大卫希尔伯特之口.一天夜里已经很晚了，一个人走进一家旅店想要住店.店主回答说：“对不起，我们没有任何空房间，但是让我看一下，或许我们能为你找到一个房间”.然后店主离开他的桌子，他不情愿地叫醒他的每位房客，并且请他们换一房间：一号房间的房客搬到二号房间，二号房间的房客搬到三号房间，三号房间的房客搬到四号房间，,如此依此类推下去，直到每个房客都搬到下一个房间为止.这时，另这个房客吃惊的是一号房间竟然被空出来了.3如是他还高兴的搬了进去，然后安顿下来过了一夜.但是，有一个问题让他百思不得其解：为什么让每个房客搬到下一个房间就会把第一个房间空出来了呢？因为这所旅店就是希尔伯特的旅店，它是城里一个据认为有无数房间的旅馆.[]6从这个故事中我们可以知道无限是由有限构成的.每一个房间都是有限的，每个房间只可以住一个旅客，就算来了无数个的旅客也是可以入住这所旅店的.如世上的很多东西都是无限的，但组成它的部分都是有限的.我们都知道在数学中自然数是无限的，但组成自然数的每个数都是有限的，例如1，2，3，4，5，6，7，8，，9，10……，这些数都是组成自然数的成分，但是我们众所周知的是只有一个1，只有一个2，只有一个3……也可以说无限是由有限数组成的，[]3再如我们在数学分析中看到的调和级数n1是发散的，但它的任一部分和都是有限的，只是当n时，部分和才超过任何一个指定的数，其他的发散级数通常也是这样.数学分析中各种收敛性的判断我们都是通过判断部分和来判断整体的收敛或发散.4有限由无限组成公元前5世纪古希腊时代，在意大利半岛南部的埃利亚有一位叫芝诺的哲学家就留下一个很有意思的“二分说”论——为了从自己现处位置A，走向门的位置B，必须通过AB的中点.从A到AB的中点，其中间还有中点……9如此考虑下去，从A到B得有无穷个这类中点.由此可见，有限的AB段即使是很短很短的一段线段也是由无数个类似的中点组成的.最近在书上看到这样的一句话，我觉得引用来这里是一个很好的例子说明有限是由无限组成“一尺之锤，日取其半，万世不竭”[]2.说的就是一尺之长的短棍，今天取其中的一半，明天取其中的一半的一半，后天再取其中的一半的一半的一半，……依次类推下去，你就会发现这仅仅一尺之长的短棍竟然取不尽.一尺之长的短棍本是一个有限的物体，但它却可以无限地分割下去.这就给我们讲明了其实有限和无限是统一，有限之中有无限，有限是由无限组成的.用数学的语言去表示，那就更加的一目了然.n,1n1n1n1n1n1n1n1n11818181818181818114141414112121再如著名的康托（Cantor）集的构造[]6即我们所谓的三分点集构造：4一段长度为一米的直线段，做以下处理第一次我们挖去一个，其长度31，而余下2个，长度31；第二次我们挖去两个，其长度91，而余下22个，长度21193=；第n次我们挖去n12-个，其长度n31，而余下n2个，长度n31；显然，如此继续下去，直到无穷次后，由于在不断地分割舍弃的过程中，所形成的线段数目越来越多，而长度相对越来越小，在极限的情况下，得到一个离散的点集，而这个点集就是一个无限集.显然，这构造理论再次说明了有限是由无限组成的.再如，我们所有人都认识的两个简单的自然数0和1，然而在它们之间，我们却可以找得到无数个类似0.5，0.05，，0.1，0.01这样的数字.另外，随意画出一个正三角形或者正方形或者圆，在其里面，我们可以做出无数个与之相似的正三角形或者正方形或者同心圆，这就是人们常说的无限封闭在有限里面（如下图）[]1.人们对数学中有限与无限的普遍认识都是，无限怎么都比有限广，比有限大，而无限由有限组成，但是站在不同的角度上面去看待这个问题，我们就会发现有限其实也是由无限组成，这一观点首先是由数学家们提出来的.我们说无限包含有限是无限存在于有限当中.恩格斯说:“无限纯粹是有限组成的，这一近视矛盾，可事情就是这样.”[]7无限性是一个摸不着的、虚拟的东西，无限要通过有限展示出来，宇宙中的万物都是无数具体有限的事物构成.其次无限就是内在于有限当中的元素，辩证地思考无限，就不能仅仅停留在“无限的有限就构成无限”这一点上，我们必须进一步充分地认识它.从社会哲学的角度上看，任何事物本身就是一个矛盾体，所以任何事物都包含着突破自己.由此可见，离开有限，无限将不再存在.有限中包含着无限是说任何有限的东西都可以无限地分割，从原子向粒子的无限分割,事物会由于自身的矛盾推动而处于不安分的状态当中，于是不停地向比自己更小的事物转变.有限中存在着无限，在0到1的单位长度上存在着无数个有理数点，也存在着无数个无理数点.在整除的关系中约数是有限的，而倍数的个数是无限的，这就是我们说的有限由无限组成.5.无限是有限的延伸说到无限是有限的延伸，那么首先我们要说的就是大家都熟识的数学归纳法了.数5学归纳法是高等数学中一种有关于证明kn的方法.数学归纳法在中学以及大学中应用得都比较广泛，它是通过有限的步骤推出无限的结果.在数学归纳法中我们一般假定当1n和kn时命题成立，然后推导出当1kn时命题也成立时，该等式命题就成立，否则不成立，下面我们来举个例子说明一下：用[]4数学归纳法证明在自然数的序列中，2nn1n54321.287654321216543211554321104321632132111在这里我们看到对于上面的每个等式都有总和=（首项+末项）项数2，但这只是我们猜测的，于是用数学归纳法证明如下：当1n时，左边=1，右边=1，左边=右边，等式成立；当2n时，左边=321，右边=32221，左边=右边，等式成立当kn时，假设成立，即可得2kk1k54321，那么当1kn时，有：左边=21k1k12k2k121k2kk11k2kk11kk54321右边=211kk1，左边=右边，即当1kn时，等式亦成立.所以可以证得2nn1n54321对于任何的自然数都成立，通过数学归纳法从而证明了这一个普遍的定理.假如我们无法从有限推到无限的话，那么就算你有超能力，你也没办法证明这个普遍定理，就像你在下象棋的时候，就算你的棋艺很好，你也只是可以推出对手有限步战略，也只能为自己的有限步范围内做好应对准备，再如天气预6报一样，天气方面的专家们也只能每天为你更新一下天气情况，今天是不会知道明年今天的天气情况的，彭加勒说：“在这样的情况下我们不能凭借单一的直接直觉洞察算术的普遍真理,为了获得最普遍的定理,我们不得不借助于递归推理,因为这是能使我们从有穷通向无穷的工具”[]8.看到上述的数学归纳法，或许直到现在都还会有很多人误以为是“经验归纳法”，但数学归纳法和经验归纳法却有着本质的区别，即使从名义上看它们都是归纳法的一种.经验归纳法是根据事物有限步伐内的发展情况直接按照人的主观思维推导出一