1=1+1?!这可能是数学史上最诡异的悖论

作者: 超模君

来源: 超级数学建模

发布日期: 2017-12-11 11:29:45

本文介绍了巴拿赫-塔斯基悖论(又称“分球悖论”),这个理论指出一个三维的球体可以剖分成有限的若干块,用这些块可以完整地重新拼出两个与圆球体同等大小的球体。文章通过详细的步骤解释了如何通过命名和分类球体上的点来实现这一悖论,并引用了希尔伯特旅馆和超级韦氏字典的例子来帮助理解。

1=1+1?!这可能是数学史上最诡异的悖论。今天超模君来给大家分享一个颠覆常识的理论——巴拿赫-塔斯基悖论(又称“分球悖论”)。这个理论的具体内容是:一个三维的球体,可以剖分成有限的若干块,用这些块可以完整地重新拼出两个与圆球体同等大小的球体。用一个成语来概括这个理论就是:无!中!生!有!有一间世界闻名的旅馆,名字叫希尔伯特旅馆。旅馆里有无数个房间,每个房间里都住了一个客人。

一天,有一名新的客人来到了旅馆,要求入住。但是所有房间都满了,该怎么办呢?聪明的老板娘微微一笑,她让1号房间的客人住到2号房间,2号客人到3号房间……之后的客人都这么做。由于房间的数量是无限的,所以客人们都能够住到下一个房间中。就这样,1号房间空了出来,新客人也就心满意足地住进了1号房间当中。任何有限的数与无限做加减运算,其结果依然是无限。

好了,离开希尔伯特旅馆,让我们再来看一本名叫超级韦氏字典的英语字典——这本字典包含了英语中所有的单词,只因为它的结构是这样的:这本字典的开头是A,然后是AA,接着是AAA……在无限多个A之后,是AB,然后ABA,接着ABAA……一直到条目为无限多个Z的序列。

列表的话大概是这个样子:容易想象,这本字典是非常巨大的,但是出版商想节省原料,于是想出了这么一个办法:将所有以A开头的序列分为第一卷,在这卷里面,所有序列开头的A将会不再印刷在字典里面,因为读者在使用时自觉地加上A这个字母。但是出版商的这个做法,却产生了意想不到的效果:印在第一卷里面的序列,在省去A之后,这一卷依旧能够表示所有的单词!

也就是说,出版商仅仅用一卷,就分解了整部超级韦氏字典……OK,请各位模友牢记这两个例子,接下来就是加速的时候了!“分球悖论”最重要的部分,就是如何分割三维的球体,而我们选取的方法,就是让三维球体,变成一部超级韦氏字典。那如何让球体变成一部超级韦氏字典呢?首先,必须给整个球体上的点,起一个独一无二的名字。

取名的方法如下:选择一个起点O,然后以适当的长度(arccos(1/3))作为单位长度,让O一步步地移动。移动的方向只有四个:上(U)、下(D)、左(L)、右(R)。O每向一个方向移动一步,就记录一步,直到O不动为止,所列出来的序列就是O停下时所在点P的名字。(注意,由于选择了适当的单位长度,故除非原路返回,否则任意两个序列不会走到除极点外的同一个点上。

)例如,O向上移动了一步,那么点P1的名字就是U;O向上移动一步,再向右移动一步,那么点P2的名字就是RU。(注意,记录时书写顺序为从右到左,因为之后的步骤需要我们这么做。)当然,这种命名方法还有个规则:就是不能够存在“原路返回”的序列——UD、DU、LR、RL,因为这样相当于点O根本没动。然后我们将所有可能的序列都列出来,球面上的点就变成一部超级韦氏字典了:看起来是不是很眼熟?

但是用序列来代表点这样的方法有点太抽象了,有没有直观点的方法呢?我们可以来做这样一个分类:以最后一步为分类标准,将上述序列分成四类,每类分配一种颜色——U点为橙色、D点为蓝色、L点为紫色、R点为红色。就像这个样子。按照上述方法,我们将这些序列标注在球面上,每个序列都会得到一个属于自己颜色的点:这样的点有可数无限个,但是却并不能占满整个球面——因为球面上有不可数无限个点。

(不懂可数和不可数无限的模友可以去了解下康托尔的集合论)那问题来了,该怎么用这些序列来表示整个球面上的点呢?很简单,在没有涂色的点中,选一个新起点,然后将这些序列应用到新起点上,再给可数无限个点命名。重复这一过程,我们就可以将球面上所有点分成五类点:起点、U点、D点、L点、R点。按照之前的做法,我们分配颜色给这五类点:起点为绿色、U点为橙色、D点为蓝色、L点为紫色、R点为红色。

你以为这样就分类完了?不不不,还有一类点隐藏在这五类点其中,它们有很多个名字,我们必须将它们剔除出来,免得出错。这类点的名字叫做极点。我们将这类点单独剔除出来,用黄色给它们来标上颜色。接下来,我们就可以来见证奇迹了!所谓的极点,就是某个点运动到这个点时,无论在序列中添加左右或者上下,都不会变成第二个点的点。对于以左右(L\R)作为结尾的序列而言,它们的极点是南北极点。

当点运动到南北极点时,无论是向左旋转还是向右旋转(因为球面上点的移动的本质就是旋转),都不会产生新的点,但是在序列中却会产生新的序列,所以必须单独拿出来命名。上下(U\D)结尾的序列的极点则是东西极点。现在球体上所有的点都被标上了6种颜色中的其中一种,按照颜色来分类,球体则可以被分成6部分:起点部分、U点部分、D点部分、L点部分、R点部分、极点部分。

因为每个点到球心的点列是独一无二的,所以只用点来代表就行。当然,球心也需要单独拿出来,因为它是独一无二的。拆分后的球体如下图:OK,现在我们可以将L点部分拿出来看看。L点部分对应的序列为所有以L结尾的序列,如果将L点部分向右旋转一下,序列会发生怎样的变化呢?答案是:L点部分所对应的序列变成了U点、D点、L点、起点部分所对应的序列。有模友可能会说:这怎么可能?!超模君在骗人吧?!

不是超模君在骗你,用前面超级韦氏字典的例子就可以解释这个现象。如图,向右旋转L点部分,相当于在L点部分所对应的序列之后再加上一个R:前面说过,RL这样的序列是不允许出现的,所以所有序列的最后一个L都被抵消,但由于每个序列都是无限的,就好像超级韦氏字典第一卷那样,剩下的部分依旧可以构成代表U点、D点、L点部分的序列,而只有一个L的那些点,则因为被R抵消,还原回所有起点。

只是旋转一下,我们就得到了球体的四个部分,那剩下的部分只需要用之前分离出来的R点部分和极点部分填上,以及把球心放进去,就是一个完整的球体了——而且还剩下这些东西:这三个东西依旧可以拼成一个完整的球体。我们把U点部分向下转动,与前面向右旋转L点部分相类似,U点部分所对应的序列就会变成U、L、R点部分对应的序列,还有起点的序列。但是起点部分还没有用上呢?怎么办呢?

不要紧,把序列U所代表的点先行移到D点部分,然后再对整个U点部分进行旋转就行。可是我们会发现,先清除再旋转后的U点部分,序列UU会变成序列U,与D点部分中先行到达的序列U相重复,所以我们必须先将所有的重复排列U的序列全部先行移除,然后再旋转剩余部分,最后再组合,才能够得到一个仅包含U、L、R点部分的序列集。接下来的工作就很简单了,把剩余的部分全部组合在一起。诶?等等?

你说剩余的极点部分和球心该怎么办?没关系,用希尔伯特旅馆的思想就可以解决。因为极点在球面上,所以可以想象,每个极点都在一个圆上,而且不会有多个极点在同一个圆上。而希尔伯特旅馆的例子告诉我们,一个拥有不可数无限个点的圆,上面少一个点,总可以找出另一个点来补充它的位置,因为点是无限多的。球心也可以被这样补充出来。那么,到目前为止,我们就成功地将一个球完美地分割成两个球啦!

而且这两个新球,跟旧球是没有任何区别的哦!后排的模友,请让超模君看到你们欢呼的双手!其实,有关“分球悖论”的正确性,依旧是众说纷纭,因为它超出了我们日常生活的直观经验,也就是所谓的常识。但是,谁又能够说,常识就是真理呢?谁又能够说,我们所能触摸到的,就是这个世界的全部呢?

UUID: 27580722-e88b-4ad3-8b88-ed0a3c57751a

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/中科院物理所公众号-pdf2txt/2017/中科院物理所_2017-12-11_「转」1=1+1?!这可能是数学史上最诡异的悖论.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0080 元