無窮大

無窮大

數學概念
在數學方面,無窮大并非特指一個概念,而是與下述的主題相關:極限、阿列夫數、集合論中的類、超實數、射影幾何、擴展的實數軸以及絕對無限等。無窮大,就是在自變量的某個變化過程中絕對值無限增大的變量或函數,分為正無窮大、負無窮大和無窮大(分别記作+∞、-∞以及∞),它廣泛應用于數學之中,用以表述事物無限增大的數量屬性。[1]兩個無窮大量之和不一定是無窮大;有界量與無窮大量的乘積不一定是無窮大(如常數0就算是有界函數);有限個無窮大量之積一定是無窮大。另外,一個數列不是無窮大量,不代表它就是有界的。
    中文名:無窮大 外文名: 别名: 英文名:infinity 類型:數學概念 适用領域範圍:擴展的實數軸以及絕對無限等 分類:正無窮大、負無窮大和無窮大

簡介

在集合論中對無窮有不同的定義。德國數學家康托爾提出,對應于不同無窮集合的元素的個數(基數),有不同的“無窮”。

這裡比較不同的無窮的“大小”的時候唯一的辦法就是通過是否可以建立“一一對應關系”來判斷,而抛棄了歐幾裡得“整體大于部分”的看法。例如整數集和自然數集由于可以建立一一對應的關系,它們就具有相同的無窮基數。

自然數集是具有最小基數的無窮集,它的基數用希伯來字母阿列夫右下角标來表示。

可以證明,任何一個集合的幂集(所有子集所形成的集合)的比原集合大,如果原來的基數是a,則幂集的基數記為(2的a次方)。這稱為康托爾定理。

對于兩個無窮集合,可以以能否建立它們之間的雙射,作為比較其大小的标準。

确切地講,我們用基數的概念來描述集合,對于有限集合而言,可以認為它的基數就是元素的個數,但對無窮集而言,基數隻能以下面的方式理解(當然也可以據此把無窮集合的基數說成是它元素的個數,但這個個數已經不是日常用語中的意思)。

如果集合A與集合B之間存在雙射(一一對應),就認為它們的基數一樣大;如果A與B的某個子集有雙射,就認為A的基數不比B更大,也就是A到B有單射,B到A有滿射;當A的基數不比B更大,且A、B基數不一樣大時,就認為A比B基數小。

在ZFC集合論的框架下,任何集合都是良序的,從而兩個集的基數總是大于、小于、等于中的一種,不會出現無法比較的情況。但若不包括選擇公理,隻有良序集的基數才能比較。

例如,可數集合,如自然數集,整數集乃至有理數集對應的基數被定義為“阿列夫零”。比可數集合“大”的稱之為不可數集合,如實數集,其基數與自然數的幂集相同,為二的阿列夫零次方,被定義為“阿列夫壹”。

由于一個無窮集合的幂集總是具有比它本身更高的基數,所以通過構造一系列的幂集,可以證明無窮的基數的個數是無窮的。然而有趣的是,無窮基數的個數比任何基數都多,從而它是一個比任何無窮大都要大的“無窮大”,它不能對應于一個基數,否則會産生康托爾悖論的一種形式。

極限的定義

綜述

無窮大量就是在自變量的某個變化過程中,絕對值無限增大的變量或函數。

精确定義

1.設函數f(x)在x0的某一去心鄰域内有定義(或|x|大于某一正數時有定義)。如果對于任意給定的正數M(無論它多麼大),總存在正數δ(或正數X),隻要x适合不等式0<|x-x0|<δ(或|x|>X,即x趨于無窮),對應的函數值f(x)總滿足不等式|f(x)|>M,則稱函數f(x)為當x→x0(或x→∞)時的無窮大。

在自變量的同一變化過程中,無窮大與無窮小具有倒數關系,即當x→a時f(x)為無窮大,則1/f(x)為無窮小;反之,f(x)為無窮小,且f(x)在a的某一去心鄰域内恒不為0時,1/f(x)才為無窮大。

無窮大記作∞,不可與很大的數混為一談。

2.①如果當x>0且無限增大時,函數f(x)無限趨于一個常數A,則稱當x→+∞時函數f(x)以A為極限.記作

f(x)→A﹙x→+∞﹚.

②如果當x<0且x的絕對值無限增大時,函數f(x)無限趨于一個常數A,則稱當x→-∞時函數f(x)以A為極限.記作

f(x)→A﹙x→-∞﹚

性質

兩個無窮大量之和不一定是無窮大;

有界量與無窮大量的乘積不一定是無窮大(如常數0就算是有界函數);

有限個無窮大量之積一定是無窮大。

另外,一個數列不是無窮大量,不代表它就是有界的(如,數列1,1/2,3,1/3,……

分類

 無窮大分為正無窮大、負無窮大,分别記作+∞、-∞,非常廣泛的應用于數學當中。

基數

簡介

在集合論中對無窮有不同的定義。德國數學家康托爾提出,對應于不同無窮集合的元素的個數(基數),有不同的“無窮”。

這裡比較不同的無窮的“大小”的時候唯一的辦法就是通過是否可以建立“一一對應關系”來判斷,而抛棄了歐幾裡得“整體大于部分”的看法。例如整數集和自然數集由于可以建立一一對應的關系,它們就具有相同的無窮基數。

自然數集是具有最小基數的無窮集,它的基數用希伯來字母阿列夫右下角标0來表示。可以證明,任何一個集合的幂集(所有子集所形成的集合)的比原集合大,如果原來的基數是a,則幂集的基數記為2a(2的a次方)。這稱為康托爾定理。

對于兩個無窮集合,可以以能否建立它們之間的雙射,作為比較其大小的标準。

确切地講,我們用基數的概念來描述集合,對于有限集合而言,可以認為它的基數就是元素的個數,但對無窮集而言,基數隻能以下面的方式理解(當然也可以據此把無窮集合的基數說成是它元素的個數,但這個個數已經不是日常用語中的意思)。

如果集合A與集合B之間存在雙射(一一對應),就認為它們的基數一樣大;如果A與B的某個子集有雙射,就認為A的基數不比B更大,也就是A到B有單射,B到A有滿射;當A的基數不比B更大,且A、B基數不一樣大時,就認為A比B基數小。

在ZFC集合論的框架下,任何集合都是良序的,從而兩個集的基數總是大于、小于、等于中的一種,不會出現無法比較的情況。但若不包括選擇公理,隻有良序集的基數才能比較。

例如,

可數集合,如自然數集,整數集乃至有理數集對應的基數被定義為“阿列夫零”。

比可數集合“大”的稱之為不可數集合,如實數集,其基數與自然數的幂集相同,為二的阿列夫零次方,被定義為“阿列夫壹”。

由于一個無窮集合的幂集總是具有比它本身更高的基數,所以通過構造一系列的幂集,可以證明無窮的基數的個數是無窮的。然而有趣的是,無窮基數的個數比任何基數都多,從而它是一個比任何無窮大都要大的“無窮大”,它不能對應于一個基數,否則會産生康托爾悖論的一種形式。

比較

最大的無窮大是多大呢?答案是沒有盡頭。事實上,(0,1)上的實數可以和正整數的所有子集的集合一一對應:把這些實數寫成二進制,小數點後第n位為1,對應于n在子集中;為0則對應不在子集中。這樣[0,1)上的實數就和正整數的子集有了一一對應,因此實數和正整數集的所有子集的個數一樣多。也可以證明前面所說曲線可以和實數集的幂集有一一對應關系。我們把前面說的所有曲線看成一個集合,他的所有子集的個數又将比這個集合大。這個過程可以一直進行下去,得到越來越大的無窮大。另外還有一個問題,即連續統假設:整數的無窮大和實數的無窮大之間存不存在别的無窮大。也就是說,是否存在比整數基數大,而比實數基數小的無窮基數,也就是與之間有沒有别的基數。更一般的,任給定無窮基數a,在a和2a之間是否有别的基數?這稱為廣義連續統假設。

數學家證明了這樣一個事實:連續統假設無法在ZFC集合論公理下被證明或證僞,換而言之,承認連續統假設将導出一個體系;不承認将導出另外一種體系。連續統假設或其否定均可作為額外的公理。

在集合論裡可以證明,比一個集合基數大的最小基數是存在的,如果你承認連續統假設,那麼可以把改寫成,改寫成,某些書籍正是這麼做的,但是未明确指出這一點。

網上質疑

有人是這樣質疑集合論的:無窮大無窮大"康托時代,建立了對等比較法,認為由于自然數集,可以和偶數集建立一一對應關系,所以自然數和偶數集等勢。又用對角線法,證明實數集比自然數集大。但是對等的方法,隻能在有限集比較中有效。擴展到無限集是不可信的。“問:某班學生人數與教室的凳子數哪個多?最笨但也最顯然的方法是規定每個學生都去坐在凳子上,而且一個學生隻能坐一張凳子。最後,如果有學生沒坐到凳子,那麼便是學生多。如果最後有凳子空着,那麼便是凳子多。”如果是有限數量,可以用一對一的方法比較,無限數量,不行。

假設來個副校長,要求每兩個學生坐一個凳子,然後他檢查了教室一,教室二,教室三......他看到的每個教室都是如此,後面的教室他認為不用檢查了(或根本不可能檢查完——無窮的概念),于是他宣布,本學校凳子數量,正好是學生數量的一半。第二天,又來個副校長,要求每個學生坐一個凳子,然後他檢查了教室一,教室2,教室三......他看到的每個教室都是如此,後面的教室他認為就不用檢查了(根本不可能檢查完——無窮的概念),于是他宣布,本學校凳子數量,正好等于學生數量。兩位自以為是的校長都有可能是對的,也可能是錯的,方法不對。

在有限集的比較過程中,關鍵不在建立了怎樣的對應關系,關鍵在于我們要比較到最後,至少一個集合結束了,而另一個集合中元素數量已經超過對比集合數量,而且還沒結束,我們才能證明一個集合建立的對應關系比另一個集合數量多。"回應:數學的特點是自洽即可,我們可以定義有一一映射為等勢,這與自身并不矛盾。從這個定義出發,人們可以創造豐富的學問。至于如何通俗地理解等勢,等勢和通俗的數量相等有何關系,這不是數學所考慮的範圍。在這個問題中,兩個校長從自身關于有限集的經驗出發,試圖通俗地理解無限集的等勢概念,其所得到的結論都有道理。這隻是通俗地理解數學概念的不同方式罷了,并不意味着等勢概念就是錯誤的,或者說自相矛盾的。順便說一下,從數學專業的角度來看,後來的那個校長的觀點更容易理解。

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