數(shù)學(xué)故事:我已經(jīng)說了無數(shù)次了
這是一座普通城市的普通中學(xué)的一趟普通的初中英語課,但卻是費(fèi)曉馬最不喜歡的課程。費(fèi)曉馬本來就對(duì)英語不感興趣,偏又遇上一個(gè)脾氣古怪,整天板著臉的中年女英語老師。這天的英語課教的是序數(shù)詞,費(fèi)曉馬例行地想心事,根本沒在聽。

英語老師看費(fèi)曉馬走神了,直接讓他回答問題:“費(fèi)曉馬,請(qǐng)你中譯英這句話:我上次考試得了第一名”?費(fèi)小馬條件反射地站了起來,一詞一頓地說:“啊,I am first in last exam......”。
還沒等費(fèi)曉馬說完,老師直接打斷了他:“我已經(jīng)說過無數(shù)次了,序數(shù)詞前要加定冠詞‘the’,the first......你還要我說幾遍??!回去把今天的例句抄10遍!”
費(fèi)曉馬沮喪地坐了下來,心想:這堂課趕緊過去吧。腦子又開始放空,開始思考一些數(shù)學(xué)題來。費(fèi)曉馬很喜歡數(shù)學(xué),綽號(hào)”小費(fèi)馬”,數(shù)學(xué)是他最喜歡的科目。
想著想著,忽然不知不覺中,英語老師不見了,數(shù)學(xué)老師站在講臺(tái)上,好像數(shù)學(xué)課開始了。
數(shù)學(xué)老師是費(fèi)曉馬最喜歡的李老師,年輕,舉止文雅,談吐幽默,很能跟學(xué)生打成一片。這時(shí)李老師提問了:“上一堂課我們教‘遞歸’概念的時(shí)候,講了個(gè)有“遞歸”的故事,誰還記得那個(gè)故事?”
費(fèi)曉馬在數(shù)學(xué)課上最積極了,馬上站了起來,說:老師,我記得。那個(gè)故事是這樣的,從前有座山,山上有座廟,廟里有個(gè)老和尚和小和尚。有一天,老和尚對(duì)小和尚說:從年有座山,山上有座廟,廟里有個(gè)老和尚和小和尚......就這么下去,老和尚和小和尚的故事怎么也說不完”。

“很正確!”,李老師追問:“那么費(fèi)曉馬,如果你是故事里最里面的那個(gè)老和尚,你會(huì)怎么終結(jié)故事呢?”
費(fèi)曉馬不加思索地說:“那個(gè)老和尚對(duì)小和尚說:‘這個(gè)故事,我已經(jīng)說了無數(shù)次了??!’” 聽到費(fèi)曉馬說出了英語老師的口頭禪,教室里哄堂大笑。
李老師也笑了,說:“你為什么認(rèn)為‘我已經(jīng)說了無數(shù)次了’這句話可以終結(jié)這個(gè)故事呢?”
費(fèi)曉馬說:“無數(shù)次嘛,就表示后面還可以說很多很多次,但都省略不說了,所以就用無數(shù)次概括了。但是,沒有人真的可以說無數(shù)多次,所以這樣說大概不太對(duì)”。
李老師微微一笑,推了一下眼鏡,說:“其實(shí),‘我已經(jīng)說了無數(shù)次’, 這句話也并非沒有完全意義,如果我們把這句話用序數(shù)來理解的的話?!?/p>
費(fèi)曉馬一下子緊張了:“老師,這不會(huì)跟英語里的序數(shù)詞有啥關(guān)聯(lián)吧?”
李老師說:“費(fèi)曉馬,你不用怕英語到這程度吧。別怕,不考你英語。我們就看看能不能賦予’我已經(jīng)說了無數(shù)次’,這句話一點(diǎn)意義,但會(huì)牽扯到數(shù)學(xué)里的序數(shù)概念。你看,如果我們把‘無數(shù)次’算作一個(gè)數(shù)字的話,那‘我已經(jīng)說了無數(shù)次’這句話,就更我們平時(shí)說的,‘我已經(jīng)說了一百次,一千次’一樣,都是有意義的?!?/p>
“但是老師,‘無數(shù)次’到底算是一個(gè)什么數(shù)字呢”?
李老師說:“比任何自然數(shù)都大的一個(gè)數(shù)!我知道這很難理解,但這是數(shù)學(xué)里很有意思的地方,因?yàn)樗且粋€(gè)可以與‘無窮大’打交道的學(xué)科。
“比全體自然數(shù)大,這句話確實(shí)無法理解,因?yàn)樵诔R?guī)的大和小的意義下,這句話是不對(duì)的。但數(shù)學(xué)里有其他比大小的方法,比如集合中的包含和子集。一個(gè)集合里的元素完全可以是無窮多的,它也可以包含其他有無窮多個(gè)元素的集合,沒有問題?!?/p>
費(fèi)曉馬似懂非懂的問:“這跟‘無數(shù)次’有什么關(guān)系嗎’?

李老師說:“有啊,你可以這樣理解:
“我已經(jīng)說了n次” 這句話,相當(dāng)于‘我說:“我已經(jīng)說了n-1次了”’,你看,這是不是很像一個(gè)集合包含了另一個(gè)集合,也有點(diǎn)像遞歸?”
“對(duì)”,很多學(xué)生同時(shí)答到。
“那我們我再定義:‘我已經(jīng)說了無數(shù)次了’,這句話描述了一個(gè)集合,其中包含了所有的‘我說了n次’的情況,n可以是任何的自然數(shù),這樣,‘我已經(jīng)說了無數(shù)次了’,這句話不就有意義了嗎?
費(fèi)曉馬思索了一下,困惑的說:老師,這樣真有什么意義嗎?‘說了n多次,無數(shù)次’,這種話,我們平時(shí)開開玩笑而已,數(shù)學(xué)里有什么用嗎?”
李老師說:“現(xiàn)在看確實(shí)沒啥用,但是如果我們能在‘無數(shù)次說’了之后,再‘說一次’,那就有意思了。”
“無數(shù)次之后再說一次?”費(fèi)曉馬更困惑了。
李老師暗下一樂,說:“既然我們?cè)谡f集合,并且一個(gè)集合包含另一個(gè)集合,就表示前者更大,那我們只要定義一個(gè)集合,包含了‘我說了無數(shù)次’這個(gè)集合就可以了。你們想下這句話:‘我說:我已經(jīng)說了無數(shù)次了’,那么你們覺得我一共說了幾次呢?”
“難道是無數(shù)次加一?”,費(fèi)曉馬問?
李老師說:“對(duì)啊,根據(jù)我們之前集合遞歸包含的規(guī)則,這就是無數(shù)次加一次啊。記住,我們現(xiàn)在就可以把‘無數(shù)次’當(dāng)做一個(gè)數(shù)字來處理,雖然它的本質(zhì)是全體自然數(shù)構(gòu)成的集合。另外要記住一點(diǎn),現(xiàn)在的加法是沒有交換律的,比如‘1+無數(shù)次’就不等于‘無數(shù)次+1’,費(fèi)曉馬你說說看為什么這樣?”
費(fèi)曉馬開始思考起來,說:“‘我說了1+無數(shù)次’,那就相當(dāng)于我先說了一次,然后又說:‘我說了無數(shù)次’;但是‘無數(shù)次’里包含了那一次,所以總體只說了‘無數(shù)次’。但是,這句話:‘我說:我已經(jīng)說了無數(shù)次了’,根據(jù)我們遞歸規(guī)則,外面這次確實(shí)包含了里面的那句話,所以相當(dāng)于說了‘無數(shù)次+1’次。”
李老師對(duì)費(fèi)曉馬相當(dāng)滿意,說:“太對(duì)了,你要記住,現(xiàn)在的討論里,次序會(huì)很重要,因?yàn)槲覀儬可娴綗o窮這個(gè)概念?!?/p>
費(fèi)曉馬一下子來勁了,繼續(xù)思考:“對(duì)啊,不管你先說了多少次,后面如果說了無數(shù)次,那么總數(shù)上還是無數(shù)次啊,次序換過來就不一樣了。那么老師,這樣看的話,這句話:‘我說,“我說:我已經(jīng)說了無數(shù)次”’這句話,就是我說了無數(shù)次+2次吧?!?/p>
李老師答復(fù):“對(duì)?!?/p>
“那么這句話:‘我已經(jīng)說了無數(shù)次:我已經(jīng)說了無數(shù)次’,這句話算說了幾次呢?”,費(fèi)曉馬拋出了他真正想問的問題。
李老師也早有準(zhǔn)備:“那我們需要返回之前的定義。之前我們只定義了:’我說了:我已經(jīng)說了n次‘,這句話的含義,其結(jié)果相當(dāng)于說了n+1次。但是沒有定義這種句式:‘我說了p次:我已經(jīng)說了q次’。現(xiàn)在需要定義一下這種句式的含義。
根據(jù)我們?nèi)粘=?jīng)驗(yàn):‘我已經(jīng)說了兩次:這事我已經(jīng)說了三次了’??傮w上是不是感覺說了六次。那么之前那句話,我們就可以定義成乘法關(guān)系,‘我說了p次:我已經(jīng)說了q次’,這句話總體上就是說了q乘以p次?!?/p>
“那么‘我已經(jīng)說了2次:我已經(jīng)說了無數(shù)次’ 就是我已經(jīng)說了2倍的無數(shù)次!”。費(fèi)曉馬忍不住插了一句。
李老師微微點(diǎn)頭,繼續(xù)說:“但要注意,一旦涉及到‘無數(shù)次’,次序又變得重要起來。比如‘我已經(jīng)說了無數(shù)次:我說了兩次了’。這句話,總的次數(shù)應(yīng)該寫成2乘以無數(shù)次,但結(jié)果仍然是無數(shù)次。因?yàn)檎f再多的‘兩次’,最終也會(huì)被外面的‘無數(shù)次’覆蓋了,超不過‘無數(shù)次’。
但是,’我已經(jīng)說了兩次:我說了無數(shù)次了‘,這句話確實(shí)是‘我已經(jīng)說了無數(shù)次乘以2次’,就是兩倍于無數(shù)次。而‘兩倍于無數(shù)次’確實(shí)比‘無數(shù)次’大,所以我們這里,乘法交換律也不成立,這一點(diǎn)需要注意?!?/p>
費(fèi)曉馬頓有所悟,有點(diǎn)興奮得說:“那老師,這樣看來,‘我說了無數(shù)次:我已經(jīng)說了無數(shù)次’,這句話就應(yīng)該是‘無數(shù)次’乘以‘無數(shù)次’,等于‘無數(shù)次的平方次’了吧?”
“對(duì)啊,簡單吧。那之后你還可以繼續(xù)……”
沒等李老師說完,費(fèi)曉馬迫不及待的說:“那還可以有無數(shù)次的3次方,無數(shù)次的4次方,以至于無數(shù)次的無數(shù)次方對(duì)吧.....”
剛到這里,費(fèi)曉馬忽然又聽到一個(gè)不想聽到聲音:“費(fèi)曉馬,你上課又打瞌睡了,你告訴我,我剛才說了啥?”
啊,原來還是英語課啊,費(fèi)曉馬迷迷糊糊地的,也不知道哪來的勇氣:“老師,你剛才說,你已經(jīng)說了無數(shù)次了,但你其實(shí)已經(jīng)說過了無數(shù)次‘我已經(jīng)說了無數(shù)次了’!”。
課堂里一陣哄笑,費(fèi)曉馬這次真的醒了過來。原來現(xiàn)在只是早上,費(fèi)曉馬還躺在自己的床上。

費(fèi)曉馬心想:“還好只是夢(mèng)啊,都怪我昨天睡前聽大老李講序數(shù),做了這么一個(gè)夢(mèng)中夢(mèng)。不過以后我知道原來'我說了無數(shù)次'這句話還是有意義的啊。”想到這,費(fèi)曉馬似乎覺得英語老師的這句口頭禪也不是那么討厭了。
(未完,續(xù)不續(xù)看反響......)