体积很小,但面积无限大的物体——揭示了一个深刻的数学哲学问题

伽利略常被认为是现代科学之父。是他把实验原理、理论原理和数学原理结合在一起,形成了一个标准的框架。伽利略对现代科学的发展做出了巨大的贡献。

伽利略从比萨斜塔上扔下两个质量不同但材料相同的钢球,它们同时落地。这个实验的非凡之处在于,他开创了一种新的科学研究方法,通过实验来验证假设。他告诉我们,我们要做的不仅仅是认为某件事是真的,我们还要证明它。

大多数历史学家认为,伽利略在比萨斜塔上进行的著名实验从未发生过。伽利略在担任比萨大学数学系主任时,发现了一个有趣的悖论。

定义:一个悖论,也称为二律背反,是一个逻辑上自相矛盾的陈述,或有悖于人的期望的声明。(维基百科)。

伽利略的悖论是关于确定两个包含无限物体的集合是否相等。例如,设P是P={0,1,2,3,…}的正整数集合,E是E ={0,2,4,6,…}的偶数集合。伽利略认为,这两个集合的大小是相同的,因为我们可以把集合P中的每个正整数与集合E中的偶数配对。

那么,当E中出现“较少”的数字时,两个集合的大小如何相同呢?这被称为“伽利略悖论”,并引发了一场关于无穷大概念的新辩论。

伽利略之后,他的学生托里塞利成为比萨大学数学系的系主任。由于托里塞利也对数学感兴趣,他问道:

是否存在体积有限但面积无限大的物体?

首先,我们直觉上觉得这样的东西不存在。然而,数学告诉我们这样的事情是可能发生的。托里塞利自己回答了他的问题,发现了“托里塞利小号”,它的表面积是无限的,但它的体积是有限的。他的发现被视为一个“不可思议”的悖论。

托里塞利小号是怎么形成的呢?我们都知道如何画出y=x。如果你画出方程y=1/x,图像会是这样的:

当我们取y=1/x的图像并绕x轴旋转时,我们就看到了托里塞利小号。

幸运的是,我们有数学公式来计算托里塞利小号的面积和体积。当我们对小号的体积使用下面的积分公式时,我们得到的是一个有限的体积。

但是,当我们对小号的表面积应用积分公式时,其表面积将变为无穷大。这个结果有趣吗?

由于托里塞利小号的体积是有限的,我们可以用有限的材料来制作它。例如,我们假设它的体积是100升。我去买了100升油漆,把它灌满。然而,有趣的是我用100升的材料做出了无限大的表面。

在实践中,不可能的情况在数学上变成了可能。那么,托里塞利小号怎么可能是真的呢?或者,在伽利略的例子中,当一个集合是另一个集合的子集时,我们如何精确地匹配集合的所有元素?

所有这些冲突的原因是,无穷大的概念不同于我们所知道的其他概念,这让很多人感到困惑。伽利略在他的悖论中说,

反对它是徒劳的。我正在研究的集合是包含无穷大的闭集的例子。它们从一点开始,一直延伸到无穷大,但它们仍然是固定的。然而,我对无穷大的看法和概念必须与我对有限大小的看法和概念不同。如果你在处理有限的数字,如3公斤小于5公斤,或者32米比7米长。但当它达到无穷大时,你不能说这个无穷大比哪个无穷大大,比哪个无穷小小,或等于哪个无穷大。

这就是伽利略在17世纪提出的解决方案。

不幸的是,伽利略的解决方案引发了一场关于无穷大的新争论。直到康托尔公布了他的“集合论”,数学家和哲学家们才能对一个具体的答案达成一致。
无限这个概念首先出现在埃利亚学派,这是一个前苏格拉底哲学学派,由巴门尼德在公元前5世纪早期的埃利亚古城建立。这个学派里有三位伟大的哲学家,如芝诺、色诺芬尼和巴门尼德。在这个学派里,公认的哲学的存在是单一的,没有多元性。芝诺以他在《无限》中的悖论而闻名于世。在公元前300年代后期,亚里士多德提出了两个概念来解释芝诺的悖论,即潜在的无限和现实的无限。
潜在的无限是一组数字或一组“事物”,它们没有终止,没有可识别的终点。真正的无限包括在一个有始有终的空间里的无穷集合或“事物”,它是一个在技术上是“完成的”但由无限个成员组成的序列。
亚里士多德相信没有真正的无限。直到17世纪,亚里士多德的思想一直主导着哲学界。然后像库萨和布鲁诺这样的哲学家声称存在真正的无限,但我们无法理解它。在库索和布鲁诺之后,伟大的思想家斯宾诺莎加入了这个主题。
斯宾诺莎说,我们可以理解无穷大的概念,并按大小排列它们。然而,他也表示,他无法对他们进行计算。例如,他可以把3加到5,但是他不能把一个无穷大加到另一个无穷大。
最后,为了结束这些争论,康托尔出现了,他发现了集合理论,这至今仍然是数学的基础。他用他的集合论确定了无穷大的所有概念。
康托尔
他告诉我们一个无限集比另一个无限集更大或更小。此外,康托尔声称我们可以对无限集进行加法和乘法运算。在此之前,人类一直遵循亚里士多德关于无限的思想。根据亚里士多德的说法,如果我们把3乘以无穷大,它还是无穷大。无限会吞噬一切。基于此,他声称只有潜在的无穷大,而不是实际的无穷大。
然而,康托尔用集合论向我们证明了亚里士多德是错的。如果我们在一个无限集合上加1,它就不再是同一个集合了。例如,康托尔证明(0,1)→的所有函数的集合都是可数的。因此,他定义了从区间(0,1)到自然数的一对一函数。
换句话说,他证明了所有自然数都可以在0和1之间取对应值,因为在0 - 1之间有无限的有理数,这些无限大可以成对出现。然后,他比较了实数的无穷大和自然数的无穷大,发现实数的无穷大比自然数的无穷大大。他甚至说:

我看到了,但连我都不敢相信……

康托尔虽然是一位数学家,但有着非常严肃的哲学和宗教思想。在发展集合论的时候,他说,“上帝支配了我的集合论”。
集合论最初发展时没有被广泛接受。数学家亨利·庞加莱曾经说过:

康托的思想是一种困扰数学的顽疾。总有一天数学会给他治病的。

康托尔不得不去精神病院住了一段时间,但不幸在医院去世了。
康托尔是一个处在无限边缘的孤独的人。他在他那篇关于超限数的文章的开头引用了《圣经》的一句话:
“凡被隐藏的,必将显露出来。”
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