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“最关键的就是,需要一个无理数的基本定义,这些无理数构成的数轴具备连续性。”

万物皆数,在直观的几何上从离散到连续的转变,就是从有理数到实数的转变。

魏尔斯特拉斯,戴德金,还有康托尔,这三人各自完成了对实数的基本定义。

其中容易理解的是戴德金的定义。

李恒面前再一次漂浮起那条用白色粉笔画成的数轴,只不过这一次上面的数字变成了各种奇奇怪怪的符号。

“点动成线,数轴上的无穷个点密密麻麻地填满了所有的空隙,没有丝毫的漏洞。”

“这是连续性最直观的一点,但从这种稠密性的视角去理解数轴的连续性已经宣告破产。”

“任意两个有理数之间都存在第三个有理数,但它们并不连续,每一个有理数还被密密麻麻的无理数所包围。”

“连续性显然不是根源于任何种类的致密性,用这种想法去思考数轴连续性的根源是一无所获的。”

“思考数轴连续性最好的方法是从数轴的有序性和相继性入手。”

“也就是在数轴上,每一个点的左边是一个更小的点,右边是一个更大的点。”

李恒抬起手掌,一记朴实无华的手刀砍在面前的白色数轴上,激荡起一阵金属碰撞般的火花,让整个世界都剧烈地颤动了起来。

天上那闪耀着无尽光无尽热的大火球也在这一刻微微暗淡了下去,争吵了不知多久的两个数学家将目光投向了此处。

他们感觉到,这个隐藏在有理数的缝隙中,无限可分的无穷小世界,真的被找到了那个不可分割的最小基本元素。

“从数轴的可分性去理解连续性,这就是我们两个一路上在做的事情。”

“切割整数,切割有理数,切到不可再分的那一点,找到能精确地将数轴分割成左右两部分的那个点所代表的数。”

“在这个数左边的所有数都小于这个数,在这个数右边的所有数都大于这个数。”

这就是戴德金分割。

如果直线上的所有点都落入两个集合,第一个集合中的所有点都位于第二个集合的所有点的左边。

那么就存在唯一的一个点把所有的点划分成两类,从而把直线分割成两部分。

于是,通过定义集合a和b的成员和边界,就可以准确定义这点的值,数轴上真正不可再分的基本元素。

用数轴上位于左侧和右侧的两个互斥集合来定义一个点的数值,这就是戴德金分割的思想。

在之前的旅程里,一旦离开了处处均匀的整数世界,两人就沦陷在了有理数和无理数的稠密性中。

他们不得不面对那些包含着无穷个元素、但却看起来同样都是无穷小的区间。

归根结底,这些看起来无穷小的有理数缝隙,依旧还不是一个没有大小的点。

虽然它看起来在数轴上占据的长度是零,但这里却藏着无数个无理数,构成了这片有牛顿、莱布尼茨、贝克莱主教的复杂世界。

“因为无理数的定义还不清晰,我们只知道无理数的某些实例,而不知道所有无理数的状况。”

“因此我们这里能用来作为分割标准的只有定义清晰的有理数,”

“一刀将数轴分割成两个部分,将会得到几个不同的结果。”

“第一,左边的a集合有最大元素,右边的b集合没有最小元素。”

“这就说明这一刀砍在了数轴上的某一个有理数p/q所代表的点上,并且这个点位于左集a之中。”

“如此数轴就被分成了两部分,比如。”

“数轴上的每一个点都是唯一的,一个点在左集a中,就不可能在右集b中。”

“所以第二种情况,左集a没有最大元素,右集b有最小元素。”

“这两种情况都没有发现数轴的缝隙,因此这些分割就对应所有的有理数。”

“除此之外的第三种情况,左集a没有最大元素,右集b也没有最小元素。”

“这就是有理数之间的缝隙,想要填补这个缝隙就需要无理数,也就是我们现在所在的这个世界。”

“用有理数进行分割,如果分割不产生空隙,那么它就是一个有理数;如果产生空隙,那么它就是一个无理数。”

“由此就从有理数扩展到了实数。”

说到这里,李恒又抬手在阿基里斯的肩膀上贴上了第四个小便签“戴德金分割”。

前三张便签纸上分别写着“一一对应、基数”,“有序排列、序数”、“排中律”的字样。

“再次回到之前解释过的0.9…=1的问题,用戴德金分割就能证明这一结论。”

“0.9…是一个十进制无穷小数,它和1是数轴上同一个点代表的数的不同写法。”

“所有的无限小数已经填满了整条实数轴,再也没有其他数字的位置。”

“与戴德金分割对实数的定义等价,康托尔用无穷序列来定义数轴上的数。”

“一个有理数的无穷序列,如果任意两个相邻项的差越趋于0,那么这个有理数序列就是一个实数。”

“康托尔将这称为一个基本序列。”

“任何有理数序列的收敛等同于它可表示为一个无穷的十进制小数。”

“这种定义下的系统是封闭的,也就是说,用有理数定义的实数去组成实数序列,得到的极限仍是实数。”

“1.00…和0.99…,这两个不同的基本序列极限是一样的,定义了数轴上的同一个实数。”

“也正是因此,类似于w这样不是0也不是后继序数的超穷序数被称为极限序数。”

“它们本就来自于表示无理数的基本序列,源于微积分中的极限,没有最后一位的概念。”

“嗯,前置基础总算是说的差不多了。”

李恒抬手打了个响指,两人来到了一间幽暗老旧的精神病院外面。

“有了无缝的实数轴和实数的基本定义,接下来就可以开始研究连续统了。”

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