人类,在万物生灵中,之所以与众不同,独一档的智慧存在,不是因为有语言,动物基本上都有,都会叫唤;不是因为会使用工具,乌鸦、猴子也会用工具;也不是因为作图会做标记,动物都会做,“蛇有蛇道,鼠有鼠道”,狗都会撒尿当地标。那么是因为什么呢?是数,人类会数数,会算数,创造了数学!

人类在结绳记事之前,都是未开智的动物而已。人类有了结绳记事,创造了数字“1”,就打开了大自然的大门,自此一生二、二生三,诞生了一个又一个的自然数,同时又因为分配问题,又创造了分数,制定了进位规则。这就是智慧,智人的开端。

打开网易新闻 查看更多图片

数的单位元1

自然数的单位是“1”,严格说分数也是自然数的变种,只不过其单位是分子为“1”的分数,也是数个数的一种方法,如“2”个“1/3”、“5”个“1/7”等等,有多少猎获,一个东西怎么分,这不需要智慧吗?分母就是进位制、进位规则,人类自此走上了推演之路,有了加法法则,文字源于作图,加上数字四则运算,文明程度越来越高级了。

人类面对空虚无不知所措,进入数字运算上千年了,依然懵懂茫然,也许突然间灵光一闪,就创造了数字“0”,用来表达空、无。“0”,不是由“1”自然产生的,跟自然数“0”关系。“1”和“0”,都是人造数,“1”比“0”早生千年而已。没有大智慧,也不会创造“0”,人类文明会被严重卡壳。新数“0”,在“1”创四则运算规则之内,做分母,将破坏整个运算体系,出现“0”=“1”这类BUG,怎么办?智者于是增加一条规则:“0”不能做分母,这样“0”就正式加入数系,其乐融融!人类每一次数的创造,都是智慧文明发展到了一定程度,倒逼出来的。

打开网易新闻 查看更多图片

人类有了“0”,负数的出现,就完全挡不住了。人类创建的加法规则、1、0,就是公理,减法、乘法、除法,都是加法的推演。由此自然数、0、负数,构成整数,分数、整数构成有理数。有理数都是一个一个离散的数,是人类因为数数之需而创生推演出来的,从这个意义上来说,有理数是“可数”的。

在有理数这个数系上,人类建立了数学,发展了逻辑推理,诞生了科学。随着智慧的累积,文明的提升,也遇到了新的数的困惑。

毕达哥拉斯定理的发现,单位正方形的对角线长√2,无法用有理数来表达,其值算不尽,无限不循环,被视为恶魔之数,被禁言,甚至还有人因言它而获罪,付出了生命。

打开网易新闻 查看更多图片

发现的第一个无理数

人类在处理最完美图形圆的周长时,发现了“π”,也是算不尽,无限不循环。人类不面对这些无厘头的数,看来也不行。人类必须正视它,此类数被命名为无理数,虽然很无理,但我们不逃避,把数系从有理数,扩充了无理数。有理数、无理数统称为实数,实数系建立。

打开网易新闻 查看更多图片

π的发现

加减乘除、开方指数对数,公理、规则、定理、推论,代数、几何蓬勃发展,生机盎然,好像人类面对世界上的一切,都是可算的。但是,人类在解一元三次方程时,遇到了算术规则之下,负数开平方必须继续进行的问题,怎么办呢?甭管他有没有意义,依据规则,坚持书写,坚持运算。实在嫌麻烦,就创造“i”字母来代表(√-1),节约书写时间。大家觉得他没有什么意义,那就叫它“虚数”,“i”为虚数单位,对比照已经很有意义的“实数”。虚虚实实、实实虚虚,有理、无理,数学也真好玩。

打开网易新闻 查看更多图片

i的标准定义

此时的人类已经很聪明了,把玩数学,自有高手,发现虚数单位“i”很有意义,可以表示物理现实中的旋转!这一下虚数不“虚”了,智慧又一次升级。实数、虚数,各自代表一个世界,实平面扩展为复平面,揭开了更加精彩的世界。

i的常用定义

伟大的欧拉,发现了又一个无理数“e”,

打开网易新闻 查看更多图片

e的定义

籍此推导出了宇宙最美的式子,把1、0、π、e、i、+、=,组合成一个恒等式!假如有上帝,上帝都会赞美人类有如此的智慧,发现了这么绝美的等式,这真是人类智力的一个高峰啊!

打开网易新闻 查看更多图片

最美的恒等式

人类现在拥有了实数和虚数,实数、虚数构成复数。

打开网易新闻 查看更多图片

完整的数系

代数方程基本原理横空而出,整系数N次方程的根有N个复数根!能做代数方程根的数为代数数,不能做代数方程根的数为超越数。代数数可以是虚数、有理数、无理数;超越数一定是无理数,比如目前发现的超越数“e”和“π”,就是其中之二。现在无理数可分为代数数无理数和超越数。

打开网易新闻 查看更多图片

关于数,现在还有迷糊的地方,在实数轴上,就两类数:有理数和无理数。有理数是离散的,那么数轴上剩下的无理数,就应该是连续的吧?两个有理数之间,有无限多个实数;两个无理数间也有无限多少个实数。

打开网易新闻 查看更多图片

大数学家戴德金告诉我们,在实数轴上砍一刀,砍下来的数轴断面上的是有理数,因为有理数离散有限,才砍得断而留在断面;而无理数无限不循环,怎么砍也砍不断,因此无理数是连续的。这能理解吗?

打开网易新闻 查看更多图片

戴德金分割

测度论开山鼻祖勒贝格说,有理数是一个个离散的点,点没有大小长度面积体积,在数轴上所占位置的测度为零,即全体有理数加起来所占位置测度也为零!

打开网易新闻 查看更多图片

有理数测度为零

也就是说,实数轴上布满的几乎全是无理数,全体无理数加起来的测度,就是数轴的长度!惊奇不惊奇?数轴上100%是无理数,有理数占比0%,这真是太违反普通人的常识了。

打开网易新闻 查看更多图片

无穷大一一对应无穷大

有理数无限离散、可数,无理数无限连续不可数,实数无限不可数,这又导出来无穷大问题。康托尔告诉我们,有理数中全体都可以和自然数一一对应,即无穷个有理数和无穷个自然数可以一对一,一个不漏!而有理数却和无理数无法一对一,无理数比有理数多得多!

打开网易新闻 查看更多图片

一一对应

即无理数的无穷大相比有理数的无穷大是更高阶的无穷大,两者的无穷大不在一档!代数数是可数的,无穷大同有理数;超越数是不可数的 ,无穷大同无理数;超越数比代数数要多得多!

无穷大的第一个基数

莫名惊诧,但是你可以质疑!看看数轴理论、集合理论、测度理论,慢慢消化吧!反正发现无穷大基数阿列夫ℵ_0、ℵ_1的康托尔进过疯人院!太高级的智慧烧脑啊,大家小心!

打开网易新闻 查看更多图片

不同基数的无穷大

二维平面上的点坐标和数轴上的点一一对应,一样多,无穷基数相同。

多维空间中的点坐标也和数轴上的点一一对应,也一样多,无穷基数相同。

看看康托尔创造无穷基数阿列夫后,得出来多么震惊的结论!

打开网易新闻 查看更多图片

无穷大基数关系

我不由想到,人类所处的真实物理世界,和数轴上的点可以一一对应,那么类似无理数连续的点,我们是无法取出来研究的,因为他们无限不循环,无法斩断、无法分离出来。那么我们人类只能研究类似有理数的物理实体,有理数是离散的,离散就是量子化的啊?难怪我们掌握的微观世界是量子化的基本粒子组成,基本粒子组成复合粒子,还是离散的,复合粒子组成更多的物质,不管它组合多大,就像累加自然数一样,都是离散的,所以一颗颗恒星在物理世界是离散的,离散的有理数完完全全淹没在连续的无理数海洋中,离散的一颗颗星星就淹没在连续的时空中,测度为零,微不足道,因此星星那么多,天空却依然那么黑,那么冷,这是不是就很显然了呢?

从数学诞生“数1”的那一刻起,人类能触摸感知的世界就是离散的、量子化的有理数世界。

打开网易新闻 查看更多图片

太空黑冷得让人恐惧!

除了我们时空中已经有的“离散”物质,其实我们还能无中生有,有中变无!这得感谢“虚数”单位“i”,“i”其实不虚,还实力非凡!狄拉克方程中的“i” ,不但揭示了电子的自旋,还明白无误地指出,真空就是一片能量之海,高能光子能激发出正负电子,这就是0、1的作用:0生1,1生0,1生2…,“i”的创生较晚,其神秘的物理图像,才刚刚露出一角。

这就是数学,1、0、i、“ℵ”,这些数,都是人脑造的产物,研究无穷大的阿列夫,创生最晚,不足一百五十年。虽然数学家们的思维海阔天空,脑洞大开,但物理学家们一致认为真实的物理世界是既没有无穷大,又没有无穷小的。宇宙之大,有其上极限;基本粒子之小,也有极小限。

这就是数学,让我们解构世界,不愧为人类智慧之光!