很水的數(shù)學(xué)分析001:無理數(shù)的歷史

1.我們可以用自然數(shù)為原料,將所有的整數(shù)都制造出來。再用整數(shù)做原料,將所有有理數(shù)制造出來。
但是雖然√2可證明是無理數(shù),但無法通過構(gòu)造開根號的方法制造所有無理數(shù)。本質(zhì)上開根號只是求代數(shù)方程的根,這只占無理數(shù)的極小部分,稱為“代數(shù)數(shù)”。
比如圓周率Π就不能通過求代數(shù)方程的根求解出來。這類數(shù)稱為“超越數(shù)”。
2.構(gòu)造無理數(shù)需要“無限過程”,以制造超越數(shù)。如使用無窮級數(shù)、連分?jǐn)?shù)、序列、閉區(qū)間套(無限小數(shù))、戴德金分割等。
3.定義實(shí)數(shù)
構(gòu)造的目標(biāo):
①構(gòu)造出所有無理數(shù)
②有全序關(guān)系(序關(guān)系凸顯分析學(xué)的核心)
③定義代數(shù)運(yùn)算:加、減、乘、除
④拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
4.戴德金分割
分析數(shù)軸上某代數(shù)方程的某一個(gè)正根的位置(如√2) 和 由根分割出的前后兩個(gè)區(qū)間,可證明前面的區(qū)間沒有最大元素,后面的區(qū)間沒有最小元素。并且戴德金用算數(shù)化的語言描述了沒有最大(小)元素,即對于任意一區(qū)間內(nèi)元素,總可以找出另一個(gè)元素比它大(小)。
因此有理數(shù)域雖然稠密,但依然存在”空隙“,需要定義更大的數(shù)集來填滿這些空隙。
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戴德金分割【詳見講義中算術(shù)化語言的描述】:
對集合做一個(gè)劃分,切成兩個(gè)非空集合{α,β}。
首先,α向下封閉。
其次,α中無最大元素,
則稱:該劃分,確定了該集合上的一個(gè)戴德金分割。
集合若是有理數(shù)集,那么這樣的一個(gè)分割決定了一個(gè)實(shí)數(shù)。
我們常用下集α來談?wù)摲指睿虼丝梢哉f一個(gè)集合(即下集α),決定了一個(gè)實(shí)數(shù)。
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有理數(shù)域上,所有的戴德金分割的下集組成的集合稱為實(shí)數(shù)集。
在戴德金分割中,下集α沒有最大元素這一條件隱含了”無限過程“,整個(gè)下集本身就是一個(gè)無限逼近我們想要的數(shù)的過程。因此可用來構(gòu)造實(shí)數(shù)。
5.實(shí)數(shù)集的序結(jié)構(gòu)
戴德金分割構(gòu)造了實(shí)數(shù),接下來需要定義序關(guān)系。
由于一個(gè)集合決定一個(gè)實(shí)數(shù),集合的包含關(guān)系自然是一種序關(guān)系。
序關(guān)系中,我們可以用包含來定義小于等于。
并且可以證明,因?yàn)棣潦且粋€(gè)下集,所以這樣的包含關(guān)系一定是全序關(guān)系。因此,由此定義出來的實(shí)數(shù)集一定是全序集。
6.實(shí)數(shù)集上的運(yùn)算
加法:
由于當(dāng)前實(shí)數(shù)是由集合定義的,本身沒有集合加集合這樣的運(yùn)算。
我們可以任取兩個(gè)集合中的元素,這兩個(gè)元素相加(這兩個(gè)元素應(yīng)位于有理數(shù)域),其相加結(jié)果的值構(gòu)成的新集合,這就是加法運(yùn)算。