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世界新动态:古希腊数学趣事——无理数的发现

2023-03-01 10:04:27 哔哩哔哩

公元前500年,有一位牛人,叫毕达哥拉斯。如果你对这位牛人有点儿陌生,那你一定知道「毕达哥拉斯」定理,那就是「直角三角形中,两直角边的平方和等于斜边的平方」。在我国,这个定理就是著名的勾股定理。


(相关资料图)

勾股定理是余弦定理的特殊情况。

在毕达哥拉斯的时代,这个定理还有个有趣的名字,叫做「百牛定理」。原因是毕达哥拉斯发现并证明这个定理的时候太兴奋了,传说杀了100头牛来祭祀神明,感谢神明赐给他的灵感。

这位牛人创办了一个数学学派,叫做毕达哥拉斯学派。毕达哥拉斯学派相信,整数像原子一样,构成了宇宙中的一切,并描述宇宙中的一切。宇宙的一切事物的度量都可用整数或整数的比来表示,除此之外,就再没有什么了。

于是毕达哥拉斯学派认为「组成和描述世界的,只有整数和整数之比」。

然而,这个观点是错的,而且错的很远很远!

毕达哥拉斯有一个学生,叫希帕索斯。这个哥们勤奋好学,善于观察分析和思考。一天,他跑到毕达哥拉斯面前问他:「边长为1的正方形,其对角线的长是多少呢?」

毕达哥拉斯听到这个问题就愣了,根据他证明的定理,边长为1的正方形的对角线长度的平方应该等于2(即1^2+1^2),那么什么数字的平方等于2呢?

毕达哥拉斯寻找了很久都没有找到,他希望能找到两个很大很大的数字相除,结果等于这个数字。但无论找到的分数的分子和分母多大,这个比值都只能很接近,却不能精确地等于2的平方根(当时还没有√2这种表达方式)。

也许你会想,数字要多大有多大,现在找不到,不代表以后找不到,也许有某两个100亿位的数字相除,结果正好等于2的平方根呢?

答案是没有。不需要一直找下去,就可以直接证明,√2不是任何两个整数之比!

反证法证明√2是无理数:

假设√2=p/q,

p、q为互质的正整数

(两个正整数,除了1以外,没有其他公约数时,称这两个数为互质数,非互质的两个数相除,可以消去公约数而成为更小的分数,比如2/4可以消掉公约数2变成1/2)

两边平方:2=p²/q²

p²=2q²         ——(1)

2q²显然为偶数,所以p²也是偶数,所以p必为偶数

设p=2k(k为正整数)

则(1)式变为:4k²=2q²

q²=2k²

同理得q也为偶数

两个偶数必有一个公约数2

与题设的p、q互质矛盾

故不存在互质的正整数p和q构成一个等于√2的分数。

希帕索斯的这个发现,从根本上动摇了毕达哥拉斯学派的核心思想。毕达哥拉斯无法解释这种“怪” 现象,他惊骇极了,整个学派的理论体系将面临崩溃。忐忑不安下,他采取了错误的方式:下令封锁消息,也不准希帕索斯再研究和谈论此事。

希帕索斯在毕达哥拉斯的高压下,心情非常痛苦,但在事实面前,他认为√2是客观存在的,老师的理论体系无法解释它,这说明老师的理论有问题。

后来,他不顾一切的将自己的发现和看法传扬了出去,整个学派顿时轰动了,也使毕达哥拉斯恼羞成怒,无法容忍这个“叛逆”,决定对希帕索斯施加惩罚。

希帕索斯听到风声后,连夜乘船逃走。然而,就在他所乘坐的海船的后面追来了几艘小船,当他还未醒悟过来的时候,毕达哥拉斯学派的打手已出现在他的面前,他手脚被绑后,投入到了浩瀚无边的大海之中。这位年轻的数学家就这样为了知识献出了生命。

后来的人们把希帕索斯发现的这种数称之为无理数,之前毕达哥拉斯所认为是宇宙全部的数(整数和两个整数至比),称为有理数。

实际上这两个称呼的翻译是错误的,有理数来自于单词「rational number」, 词根ratio意思除了「合理」之外,还有一个含义是「比率」,所以更准切的翻译是「可被比例描述的数」和「不可被比例描述的数」。只不过叫习惯了,也就没必要改了。

后来的人们又证明,不仅存在着无理数,而且无理数的数量远远多于有理数。

在0和1之间随便插一根针,你有几乎是100%的概率得到一个无理数!