如何看待1与0.9999…的大小之争
帝释天王
编辑于 2020年08月04日 00:12

       1与0.9999…哪个大,很多人可能会觉得这有争议吗,肯定1大呀。可是有点高数背景,学过数学分析的人可能会告诉你,它们是相等的,而且一般他们会强调1与0.9999…是严格相等的。

        今天我们就来说说1与0.9999…的大小问题。 1与0.9999…的大小争辩在于到底它们是相等还是1更大,持这两种不同观点的人数量都很多,互相都不能说服对方,都觉得对方是在挑战自己的科学信仰。支持1与0.9999…相等的 人,能给出很多1与0.9999…相等的证明,这里提一种比较简单的方法:

           但是学了数学分析似乎又会觉得没这么简单。这里涉及实数完备性的一些理论,比较复杂,我这里采取简单的方式叙述,区间套理论和戴德金分割就暂且不提了。首先我们知道实数是和数轴上的点一一对应的,且任意两个点之间都能有无数个点,也就是说任意两个实数间都有无数个实数,如果两个实数相等,则这两个实数之间没有其他数,这两个实数在数轴上用同一个点表示,意即表示这两个数的点之间没有“空隙”, 

        这里我们先要对大于和等于分别作定义 :

        我们先定义大于:若AB两数,A>B,那一定存在一个数X,使A>X>B.

        我们再定义等于:

       现在我们用上面大于和等于的定义来看1与0.9999…的关系,如果说1大于0.9999…,但1与0.9999…之间却不能找出“中间数”,而且1与0.9999…似乎也满足上面对等于的定义,即1与0.9999…之间的空隙小于任意给定的正数(无论这个正数可以有多么小),到这里我们发现已经不能反驳1与0.9999…相等了。出现上述矛盾的关键似乎在于无限靠近和相等到底是否等价。另外,其实0.9999…是否是一个确切的数都备受质疑,有人认为0.9999…是一个无限循环的过程,永远没有终点,所以它不是一个确切的数,或者说数轴上没有和0.9999…对应的点。 

       那我们是否能设想给0.9999…一种数的定义呢,比如作如下定义:

但在这种定义下0.9999…应该不等于1,否则分母为零,没有意义了。

        在这里我要顺便提一下“潜无穷”的概念,我们可以认为0.9999…是一种潜在的不断构造的过程,永远无法完结,不是一个实在的可完成的过程,这就将1和0.9999…的大小争辩变成了“潜无穷”与“实无穷”的争辩(数学分析中还有相应的标准分析与非标准分析) 

       为方便理解,我们先谈谈“无穷小”,无穷小是潜在的还是实在的呢,意即无穷小是能达到的还是只能无限构造而无终结。关于这个,古希腊哲学家芝诺有著名的“芝诺悖论”,其中一个是说物体的运动是无法完成的,因为若物体要运动一段距离,则它需要先运动到这段距离的一半处,则它又需要先运动到一半的一半处,这个过程会一直持续无法终结,所以物体无法运动。

       不过现实是物体当然可以运动,难道无穷小的细分是能完结的?有种解释是,我们人类的思维是连续的,在思维过程中我们认为物质是可以一分为二,再分为二,无限细分没有终点的,但就目前而言已知宇宙中的物质却是离散的,不连续的,宇宙有最小的长度单元,即普朗克长度:

所以好像思想上的无穷小是潜在的无法达到,而现实中的无穷小是实在存在的,它定义了宇宙的最小刻度,正因为“无穷小”的这种特点,导致它是那么令人琢磨不透,难以理解,也就使得当一个问题涉及到无穷时,也变得模棱两可,难以定论。 

       至此,我们可以认为1与0.9999…的大小之争,也就是“实无穷”与“潜无穷”之间的争辩,其实两者之间没有严格的对错,只有选择的不同,意即在不同的“标准”下,会得到不同的结论。