探祕√2你所不知的神祕,體驗燒腦的無理數趣題

數是數學研究的對象之一,是代數學的"先行官",是代數學的"火車頭"。負數概念的引入,數系擴充到有理數的範圍;實數概念的引入,數系擴充到實數的範圍。生活實際的需要,數學本身的發展,需要產生新的數。

數學深刻地影響著哲學。唯物主義哲學家泰勒斯、唯心主義哲學家畢達哥拉斯、創立理念論的柏拉圖等等。古希臘的哲學家崇尚數學、重視數學。

"萬物皆數"是畢達哥拉斯學派的信念,認為數是萬物的本源,"數"與"和諧"是他們的主要哲學思想。柏拉圖認為,存在一個物質世界、一個精神世界,一個諸如正義、智慧、善、美的理念世界,只有通過心靈才能達到對這些永恆理念的理解。"幾何學使靈魂趨向於真理,進而創造出哲學精神"。

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從邏輯學的始祖、寫出"三段論"推理方式名著《工具論》的亞里士多德,到倡導歸納法並寫出《新工具》的培根,再到唯理論哲學派別的代表人物笛卡爾、萊布尼茨,數學與哲學在思考:怎樣認知真理?運用何種方法?是演繹法還是歸納法?

19世紀代數學最重大的事件之一是四元數的發現,它是由愛爾蘭數學家哈密頓(1805-1865)於1843年在皇家科學院宣講的,形如a+bi+cj+dk,其中a,b,c,d為實數。

哲學家如此重視數學,而數學又始終影響著哲學。數與形、變與不變、相等與不等、偶然與必然、連續與離散、演繹與歸納、抽象與具體……沒有數學與哲學,我們什麼也看不懂。

辯證法認為矛盾是事物發展的動力。在數學發展的歷史過程中,充滿著矛盾。正與負、加與減、有理數與無理數、連續與離散、有限與無限、抽象與具體、直觀與邏輯、存在與構造等。

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當矛盾激化影響數學的根基時,就會產生數學危機。最早把數的概念提到突出地位的是畢達哥拉斯學派,他們很重視數學,企圖用數來解釋一切。他們認為宇宙間的各種關係都可以用整數或整數之比來表示,但是當√2被發現後,就導致了第一次數學危機。

通過修正、補充及理論的創新,數學家們消除矛盾、解決危機,給數學帶來了新的發展。

錯誤有時也美得殘酷。公元前第五世紀,古希臘畢達哥拉斯(Pythagoras)學派倒黴的希勃索斯(Hippasus)發現了一個驚人事實,一個邊長為一的正方形的對角線長度不是有理數。無理數的存在說明了數軸上存在不能用有理數表示的"空隙",和畢達哥拉斯學派的"萬物皆為數(有理數)"的哲理大相徑庭。學派領袖惶恐、憤怒以後,可憐的希勃索斯被百般折磨,判了極刑。從此畢達哥拉斯學派把守住這一秘密當成學派的頭等大事。

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但根號2很快就引起了數學思想的大革命。科學史上把這件事稱為"第一次數學危機",也讓數學向前大大發展了一步。歷史證明誰都會犯錯,連那些大數學家也不例外,然而這個錯誤帶來的結果似乎殘酷了些。

公元前5世紀,古希臘人點燃了無理教的火種,照亮了實數的廣闊天地,但人類在很長一段時間內不能分享這甘美的"人類智慧之果"

直到19世紀後期,著名數學家魏爾斯特拉斯、戴德金、康托爾的傑出貢獻為無理數、實數理論的建立打下了堅實的基礎。

隨著無理數概念的引入,把數系擴張到了實數的範圍。詩人高笑曾寫過《√2的自白》。

√2的自白

畢達哥拉斯聲名高貴,只承認整數分數的地位。

用不著和權勢者爭辯,

戴著無理的帽子也全不理會實數沒有我就不完備,

我自代表著優秀的一類。

默默地填補著有理數間的空白,

讓事實宣佈高貴者的愚昧!

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例1. √2的有理逼近。

解析:√2的有理逼近的基本方法有:夾逼法、方程法等。

估計√2在1和2之間,設√2=1+a。

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變式.造一種方法,用有理數逼近√2。

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√2,π是常見的無理數,但可以用有理數的形式表示如下。

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例2.紙是人們學習和工作不可或缺的物品,而紙的尺寸是怎樣確定的呢?

印刷廠工人把一張長方形的標準紙(如圖①),對摺1次,分為兩半,每一半都是原來的1/2,稱為對開(即2開);對摺2次,得2^2=4張,每一張都是原來的1/4,稱為4開;對摺3次,得2^3=8張,每一張都是原來的1/8,稱為8開……對摺5次,得2^5=32張,每一張都是原來的1/32,稱為32開。

一張國際標準尺寸的紙,應符合下列兩個條件:

(1)它的面積為1平方米;(2)經過若干次對開,所得各種大小不同的長方形形狀都相同(即長和寬之比都相等)。這張國際標準尺寸紙的長和寬到底各是多少呢?(精確到1毫米)。

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由此可見,國際標準紙的長為1189毫米,寬為841毫米,面積為1平方米,長與寬之比為x:y=1189:841~7:5。

我國32開用的標準紙長為1168毫米,寬為850毫米,面積為1168×850~0。993(平方米),差不多為1平方米,長與寬之比為1168:850~7:5,這就是說,我國32開用的標準紙與國際標準紙是相符的。

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要證一個數是有理數,常證這個數能表示成幾個有理數的和、差、積、商的形式;要證一個數是無理數,常用反證法,即假設這個數是有理數,設法推出矛盾。

"若言琴上有琴聲,

放在匣中何不鳴?

若言聲在指頭上,

何不於君指上聽?"

這是蘇軾的《琴詩》,這樣的判斷與數學中的反證法有相同的意境。

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黃金分割就是

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,約等於1.618。這個數字的冪次會越來越接近整數,比如它的17,18,19次方:

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這其實是原因的,因為黃金分割比屬於無理數里比較特別的一種稱為PV數,這種數字在"三維世界的黃金比例-塑料常數"中也提到過,請大家自行查閱。

兩個實數的比例如果是有理數,我們稱這兩個實數有理相關。在力學上,震動頻率的有理相關會引起共振,而共振會帶來系統的不穩定。舉個小例子,如果人在木橋上走動的頻率與木橋晃動的固有頻率有理相關,就會引起危險的共振現象。

再舉個例子,太陽系在火星和木星之間有眾多的小行星,形成一個小行星帶。已發現並確認的就有幾十萬顆。這些小行星在太空中的分佈和它們的軌道穩定性有密切關係。如果小行星繞太陽的運動週期和木星的週期比例是有理數,這就形成共振,它們之間的相互影響就會很大,這些影響往往會導致小行星軌道的不穩定.

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記得在大學的高數課堂上,記得任課老師曾鄭重的說過,無理數比有理數多。我當時很詫異,老師也僅是點到為止,沒有展開來講。直到接觸到《泛函》,才在課本上看到了無理數比有理數多的詳細的數學證明,才知道無理數比有理數還不是多一點,而是多得多。

那麼無理數為啥比有理數多呢,假如你不知道那個數學證明,你會如何判斷誰多誰少呢?我覺得這是一個哲學命題,可以進行適當的哲學思考。世界既是秩序的,也是混沌的,和諧有序的秩序都誕生於混沌之中,而且秩序都是局部的,不是全局的。


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