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有趣的数学悖论

算法与数学之美  · 公众号  · 算法  · 2017-03-29 22:17

正文

有趣的数学悖论

来源:康

编辑:Gemini


数学中的悖论或者谬误,常常都是因为违反某条数学规则或数学定律而导致的结果。这使得这些悖论成为说明这些规则的优秀载体,因为它们的违规导致了某些相当“奇异”的结果,比如说1=2,或1=0,简直荒谬!它们显然具有娱乐性,因为它们非常微妙地将我们引向了一个不可能的结论。通向这个怪异结果的每一步看起来似乎都是正确的,这个事实常常令我们倍感困惑。这相当具有激励作用,并且会使结论令人印象深刻得多。


同样,这也是探究数学边界的一个良好资源。为什么不允许除以0?为什么根式的乘积并不总是等于乘积的根式?这只是众多悖论中的几个问题,揭示这些“滑稽”的结果很有乐趣,而且它们具有很高的研究价值。

一、一切都相等吗?

拥有迷人内容的标题显然是荒谬可笑的!不过从下面的范例中你会看到,情况也许并非如此。我们从一个很容易被接受的等式开始: 接下去的每一行都可以很容易地用初等代数来说明。代数方面没有任何错误。



当x=1时,1,2,3,4,…,n这些数中的每一个都等于 ,这就导致它们全都彼此相等。当然,这不可能是正确的。出于这个原因,我们定义 是无意义的。在数学中,为了避免一些荒谬的陈述,我们会做出一些定义,从而使事情有意义或不产生矛盾,正如这里的情况所表明的。


二、-1不等于+1

大家应该知道 ,于是可能会推断 。由此,我们计算 时,可能会这样: ;也可能这样计算: 。如果这两种算法都是正确的,那么这就意味着1=-1,因为两者都等于 。显然,这不可能是正确的。


哪里可能出错了呢?再一次,当我们违反一条数学规则时,就出现了一个“谬误”这里我们定义a和b中至少有一个是非负数时, 才成立。这就意味着按照 进行计算的人错了。

三、不能除以0

大家都知道除以0是被禁止的。事实上,在数学戒律的清单上,这一点高居榜首。不过,为什么不允许除以0呢?数学王国里的万事万物都整齐地各就各位,我们对数学中的秩序和美丽引以为傲。当某件可能破坏这种秩序的事情出现时,我们就直接作出规定以适应我们的需要。这恰恰就是面对除以0的情况时发生的事情。通过解释为什么要提出这些“规则”,大家会对于数学的本质产生一种更加深入的洞察。因此,让我们来为这条戒律赋予某种意义。


考虑 的商,其中 。在不承认那条除以0的戒律的情况下,让我们推测(猜想)这个商可能等于什么。让我们假设它为p,可以通过乘法 看它是否等于n来检验,因为这就是除法运算正确时应该得到的结果。因为 ,我们知道 。因此,不管商p取什么值都不能使这道除法成立,所以我们规定禁止除以0。


还有一个更令人信服的例子让我们要去禁止除以0,那就是向大家展示这会导致与一个已被接受的事实产生矛盾,这个事实就是 。如果除以0被接受,那么就会得到 ,这显然是一个谬误。这是对 的证明:



在除以 那一步中,我们实际上是在除以0,这是因为 ,所以 。这最终使我们得出了一个荒谬的结果,从而令我们别无选择,只能禁止除以0。

四、一个无穷级数的谬论

如果不考虑收敛级数的概念,我们就会陷入以下困境。




不过,如果我们用另一种方法对其进行分组,就会得到下式:



因此,既然 ,那么就有 。这一论证过程出了什么错?


如果这还不够让你心烦,那么请考虑下面这个论证过程:

(1)

这里的S显然是正的。

(2)

现在,将(1)式两边乘以2,我们就得到:

(3)

把(2)式带入(3)式,就有 ,从而

这会使我们得到-1是正数的奇怪结论,事实上,这里的漏洞与收敛有关。

五、令人迷惑的悖论

讨论悖论是很有乐趣的,而且这些悖论中常常会包含某条非常重要的信息,通过这项娱乐我们会学到很多东西。例如:2磅=32盎司,0.5磅=8盎司,相乘得到1磅=256盎司!


这个悖论的关键在于:这里的两个单位没有得到恰当的处理,用下面这个例子可以给出最佳的回答:2英尺=24英寸,0.5英尺=6英寸,相乘得到1平方英尺=144平方英寸,即1英尺=12英寸。







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