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“现代数学三大难题之三”--构造非李明波实数
[这个贴子最后由elimqiu在 2009/10/10 07:05am 第 2 次编辑]
下面引用由波浪在 2009/10/09 09:00pm 发表的内容:
1、“实数系本身与进制无关”是否等价于“长度本身与丈量它的尺无关”?
2、“丈量长度的尺与长度无关”是否等价于“进制本身与实数系无关”? 很有意思的问题。
逻辑上说,实数系和进制皆不依赖于实数的几何体现(虽然几何体现很重要)。所以上面的‘等价性’皆不真。
实数系作为数域,有乘法单位元1和加法单位元0。前者就是其内部的‘(单位)尺’。
进制是数的一种表达方式。 十进制的 8 在二进制中表达为 1000
不是因为‘尺’变化了,同样的数在十进制中是八个单位,到二进制那里是一千个单位。不是的!记号 1000 在p进制中的意思是 1·p^3 + 0·p^2 + 0·p^1 + 0·p^0
当p=2时它就是通常所说的八,当p=10时它才是通常所说的一千。
十进制的 1/3 是二进制的 1/11 等于二进制无限循环小数 0.0101010101010101....
后者的意义在十进制中是 0/2+1/2^2+0/2^3+1/2^4+...+0/2^(2n-1)+1/2^(2n)+...
在二进制中是 0/10+1/10^2+0/10^3+1/10^4+...+0/10^(10n-1)+1/10^(10n)+...
因为二进制中的10就是十进制中的2。
“实数系本身与进制无关”的意思是说数不因为如何被表达而变化。这并不排斥任何进制都可以表达所有实数的事实。
罗马记数法和十进记数法在手表或时钟上表达同样的数。
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数域是一个集合,对里面的元素定义了加法和乘法及其逆运算(非0元a都有乘法逆元1/a, 任意元x都有加法逆元 -x),这个集合对这些运算是封闭的(运算结果还是它的元素)。
加法和乘法都满足结合律((a+b)+c=a+(b+c), (ab)c=a(bc)), 加法满足交换律(a+b=b+a),
对于加法和乘法还有分配律(a(b+c)=ab+ac, (a+b)c = ac+bc),对于有理数域及实数域都又有乘法交换律(ab=ba)
有序域是对其元素定义了序关系的数域。使得对任意数x及y, x=y,xy有且只有一式成立; x>0 且 y>0 → xy > 0, x > y → x+z > y+z
由此可知 x < 0 → 0 = x + (-x) < 0 + (-x) = -x → -x > 0, 同理 x > 0 → -x < 0
于是 x ≠0 → (x>0 或 -x > 0) → x^2 > 0 → 1=1^2 > 0 等等。
实数的一个集合E有上界是指存在不小于E的任一数的实数u,此时u称为E的一个上界。(易见自然数全体所成的集没有上界)。
如果u是E的上界,而任何小于u的实数都不是E的上界,则称u是E的上确界。
实数系具有最小上界性:
任何非空有上界的实数子集都有上确界。
所谓构造实数就是要构造这么一个具有最小上界性的有序域。(包括定义运算,验证运算的上述代数性质,定义序关系,验证序关系的上述代数性质,最后证明其具有所论的最小上界性)。
不依赖于几何直观,如何证明实数系具有阿基米德性? (任给 a, X, a>0 → 存在正整数n 使得 na > X) 这就是说任何长度都是‘可度’的,‘尺’再小也管用。
定义 E= { na | n是正整数}, 如果恒有 na ≤ X, 那么E就有上界因而有上确界u. 于是 u-a 就不是E的上界故有某n 使 u-a < na 于是 u < (n+1)a, 这表明u不是E的上界。这个矛盾表明总有使得 na > X 的 n.
任取二实数 X, Y, 设 X 1/(Y-X) 即 1/n < Y-X
同理存在 k 使 k(1/n) > -X 即 (-k)(1/n) < X 亦即 E = { m/n | m 是整数且 m/n ≤X} 非空有上界故有上确界u.
于是有某整数j使 u-a < j/n ≤u 从而 u < (j+1)/n.
令m=j+1, 则m/n不在E中故X |
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