从0.9循环思考无限循环小数的定义
美丽英俊
2019年07月21日 23:56

我们最早接触无限循环小数,应该是小学,我记得当时还有奥数班专门讲过如何把无线循环小数转化为分数。按照小学最初的定义,无限循环小数是因为整数除法除不尽才产生的概念,比如1除以3,永远都会留下余数1,永远除不尽。而这个永远也除不尽的这个状态,被定义在数学表达式0.3循环中,表示1/3的小数表达式。当时还小,对这个概念也没多深入理解,对于小学教的无限循环小数转分数的方法也没有多大的质疑,反而觉得方法很巧妙。具体方法大概是这样的


问,0.2535353...的分数是什么样的?

令a=0.2535353...,

则a*100=25.3535353...

则a*100-a=99*a

=25.3535353...-0.2535353...

=25.1

所以a=25.1/99

接下来把分数化为最简表达式即可。


这个方法我直到大学毕业后,有一次无意间跟别人争论时才发觉有些不对劲。这个方法最有问题的地方是,一个无限循环小数乘以10的倍数后,是否和有限小数一样,只是小数点往前移动了而已?从这里开始,我重新思考了无限小数的定义。


我查了一些资料,在数学分析中找到了答案,数学分析中定义了实数系,其中讲到有限小数的定义时,特别提到了一个规定,说的是有限小数在定义上,有两种小数表达式,一种是它本身的有限小数表达式,另外一种,则是无限小数形式的表达式,大概长这样


规定小数a0.a1a2...an=a0.a1a2...a(n-1)9...


很奇怪,为什么会有这样的规定?为什么一个有限小数会有两种表达式?

其实我们仔细看,这个规定正好说明了一个争论已久的问题,0.9循环是否等于1?按照这个规定,0.9循环是等于1的,也就是说,这个问题根本不用证明,数学分析中早有规定,他们就是同一个数。

但我还是不满意,觉得一个规定并不能尽释我心中之疑虑。

关于数系的构造,有很多的方法,都能严格定义数的概念,但我觉得严格的定义并不能让人很好的理解。我前前后后又查阅了一些资料,包括微积分在内的基础概念,后来我想明白了。我大致说下我的理解过程

1,我们先从小学数学中关于无限循环小数的推导过程出发,在数轴上找1/3这个点。首先,我们先在0和1之间的数轴进行十等分,那么可以找到1/3大致在0.3和0.4这两个点之间,然后继续,在0.3和0.4之间继续十等分,那么1/3大致在0.33和0.34之间,以此类推……我们会发现,无论我们进行多少次的十等分,我们永远也找不到1/3这个点的准确位置。

2,如果说通过这种方法永远也找不到1/3的准确位置的话,那么是否说明,0.3循环其实不等于1/3呢?但其实换一种方式,用三等分的方式,一下子就能找到1/3了。换个数学语言来讲的话,也就是十进制下,是否找不到1/3,而三进制下,就可以找到了呢?接下来是最重要的一个概念了

3,无限循环小数最根本的一个概念是,“无限”。换一个说法,无线循环小数是一个位数无穷的实数。无穷是极限的概念,这个是微积分使用的基础概念,为什么实数的构造会牵扯到极限?据我了解,极限运算虽然会用到实数,到实数的构造不应该牵扯到极限的概念,我觉得很奇怪。

4,于是我试图从别的角度试图理解这个问题,数学中还有一个重要的概念,叫做级数,如果把1/3展开,就会变成一个级数0.3,0.03,0.003,……,这是一个无穷级数,这个无穷级数的和,就是1/3(具体的级数计算过程就不阐述了)。我忽然间茅塞顿开,无限循环小数,其实可以理解为无穷级数的和。换句话说,无限循环小数其实可以算是极限的概念,虽然其极限值是一个实数,但实数构造上不能使用无穷的概念(如果我没有理解错的话),0.3循环只是一个表达式,它真正代表的实数就是数轴上三等分后的1/3那个点。

5,对于1/3这样的十进制下永远无法除尽的分数,0.3循环是它的十进制下无限小数表达式,那么像1/2这样的点,在十进制下,有没有无限小数的表达式呢?其实也可以拆开,变成0.4加无穷级数0.09,0.009,0.0009,……的和,结果也就是0.5。这也就是刚刚提到的数学分析中关于有限小数的规定,同时也就说明了0.9循环和1的关系。

所以,用无穷级数来理解无限循环小数,是再好不过的方法。

另外最后再说几句,很多时候问题的争论,根本原因在于,基础概念不明,数学早期很多问题也是如此,最著名的就是第二次数学危机,因为对于无穷概念的定义不明乃至滥用,导致出现了既是0又不是0的矛盾概念出现。后来的公理化运动,算是彻底解决了基础概念不明的问题。