在中國文化裡,有句成語這麼說道:九九歸一,意思是算來算去最後還是回到最初,還了原,歸根結底也算是九九歸原。
這句成語蘊含着周而複始的意思,在數學裡也得到完美的體現。我們從整數0開始數1,2,3,4,5,6,7,8,9,經過十進制的處理,又從0開始。
我們再來看下面這樣一個算式:
1/3×3=1.
對于這樣的等式計算,大家都很容易理解。
不過,有些人卻提出異議:
認為1/3=0.333……(無限循環小數);
所以1/3×3=0.333……×3=0.999……(無限循環小數)
又因為1/3×3=1,
所以0.999……=1,但0.999……=1嗎?
對于無限循環小數0.999……,我們從常規的角度去理解,就是小數點後面有無數個9,不過,這裡有個疑問:
0.9<1,
0.99<1,
0.999<1,
0.9999<1,
以此類推,有人就提出這樣的結論:無限循環小數0.999……<1,最多隻能是無限接近于1。因此,對于“0.999……=1?”這個問題,自從幾百年前被某位數學家提出來之後,一直到現在還是一個争論不休的話題。雖然很多數學家都提出一些比較嚴謹的證明方法,但始終無法讓普通人以平常的視角去接受這個等式。
之後,有人給出了這樣一個的證明過程:
設x=0.999……①
所以10x=9.999……②
②-①兩式相減得9x=9,
所以x=1.
對于這樣的證明過程,有人認為可以把0.999……看成無限個分數的和:
0.999……=9/10 9/100 9/1000 ……
因此,這些人認為0.999……代表着一個計算過程的結果,而“1”又是另一個數,缺少一定的嚴謹,怎麼可以等價起來呢?
問題的争論的焦點就集中在“0.999……”到底是一個結果,還是代表着一個過程,這就是數學裡所謂的二義性。
什麼是二義性?
某個句子存在不隻一棵語法樹,則稱該句子是二義性的。
其實像“0.999…=9/10 9/100 9/1000 ……”這個無限的過程,我們也可以理解成一個數。
如一開始用“1/3=0.333……”去證明“0.999……=1”,很多人都相信這個證明過程是對的,主要是一開始在潛意識裡認為第一步“1/3=0.333……”就是對的,基于這樣的原始認知,後面的證明過程也就沒有問題。
從某角度上來看,無論是“1/3=0.333……”還是“0.999……=1”,本質上都是一樣,當你承認其中一個成立的時候,另一個自然也就成立。不過,無論是哪一種情況,很多人會認為0.999……隻是無限接近于1,并不能很嚴謹、很準确的說明這個值就一定等于1。
這個問題深耕的結果,就是造成很多人也認為0.333……無限接近于1/3,但并不能直接說明等于1/3。
雖然在某些算式裡,我們已經能去證明“0.999……=1”,但在0.999……這個無限循環小數裡,每增加一個9,無非代表這個數無限接近于1,但實際上給人的感覺就是0.999……本身是比1小的。
接近是一回事,等價又是另一回事。
有的數學家就提出新的證明思路,既然有無窮個“9”,那麼就用極限的概念去證明。
後出現了集合論,又給出如下的證明過程:
給定一組區間套,則數軸上恰有一點包含在所有這些區間中0.999……對應于區間套[0,1]、[0.9,1]、[0.99,1]、[0.999,1]……,而所有這些區間的唯一交點就是1,所以0.999……=1。
或者是這樣的證明:
所有比0.999……小的有理數都比1小,而可以證明所有小于1的有理數總會在小數點後某處異于0.999……(因而小于0.999……),這說明0.999……和1的戴德金分割是一樣的集合,從而說明0.999……=1。
對于“0.999……=1”的證明,随着數學的發展,其證明方法越來越多,也越來越完善和嚴謹,但始終沒有解決其中的疑慮:0.999……隻是無限接近于1,應該是小于1,為什麼一定會等于1呢?
如何證明“0.999……=1”,估計還會争論很久,或許在将來某個時刻會因為這個證明誕生更偉大的數學成果,也有可能就是一個無法解決的問題。不過,這也正是數學的魅力所在,往往一個問題的出現,其解決過程會推動數學某些領域,甚至影響其他學科的發展。
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