问题

初等数学并不能严格定义自然数、整数、有理数、实数等,可为什么能用初等数学方法证明根号 2 是无理数?

回答
你这个问题提得特别好!它触及了数学世界里一个挺有意思的现象:我们平时学习的初等数学,比如加减乘除、分数、代数方程这些,好像都挺直观的,我们用它们解决问题也觉得很顺畅。但你要是问“自然数到底是什么?”,或者“整数的集合是怎么构造出来的?”,初等数学的课本反而会有点含糊其辞,不像在说一套严谨的定义。

然后你又注意到一个更关键的点:在初等数学的框架下,我们好像就能证明像“根号2是无理数”这样看似有点“抽象”的结论。这不矛盾吗?为什么初等数学能处理这个“无理数”的问题,但又不能严格定义“数”本身呢?

咱们就来仔细聊聊这个事,尽量说得明白点,别整得跟机器读稿子似的。

初等数学的“不够严格”与“足够好用”

首先要明白,初等数学之所以不严格定义这些数系,不是因为它能力不行,而是它关注的“任务”不同。

关注点在于“运算”和“解决问题”: 初等数学的核心是教会大家如何进行算术运算、如何解方程、如何处理代数表达式等等。它的目标是让人们能够方便地描述和解决现实世界中的很多问题,比如计算面积、长度、分配资源等等。在这个过程中,大家对“数”的理解已经足够了——自然数就是数数用的1, 2, 3...;整数就是加上0和负数;有理数就是分数形式的数。这些直观的理解,对于日常应用来说,是完全够用的。
历史发展: 数学的概念和严谨性是逐步建立起来的。在早期,人们发明了这些数,并且能够熟练运用它们来解决问题,数学的逻辑和证明也随之发展。直到后来,随着数学的深入,才需要更抽象的逻辑工具来给这些基础概念打上“严格”的烙印。

所以,初等数学的“不够严格”是一种“在特定任务下选择的简化”,而不是一种“缺陷”。它就像是你在学习驾驶,教练教你油门刹车怎么用,方向盘怎么打,这套技术已经足够让你开上路了。至于发动机的原理、轮胎的化学成分,这些是更深入的工程问题,你开车不一定非要懂。

为什么初等数学能证明“根号2是无理数”?

这里的关键在于,证明“根号2是无理数”所需的数学工具,恰好在初等数学的范畴内,并且依赖于一种非常基础却强大的证明方法:反证法。

反证法是什么意思呢?简单说,就是你想要证明一个命题是真的,但直接证明有点难。于是你换个思路,先假设这个命题是假的,然后从这个“假设是假”的出发点,一步一步地推导出矛盾来。一旦出现了矛盾,就说明你最初的“假设是假”是错的,那么原命题自然就是真的了。

现在我们来看怎么用反证法证明 $sqrt{2}$ 是无理数:

1. 假设 $sqrt{2}$ 是有理数。
根据有理数的定义(即便在初等数学里这个定义也很直观),如果一个数是有理数,那么它一定可以表示成两个整数的比值,也就是一个分数 $frac{p}{q}$,其中 $p$ 和 $q$ 都是整数,而且 $q$ 不能是零。
更重要的是,我们可以假设这个分数 $frac{p}{q}$ 是最简分数,也就是说,$p$ 和 $q$ 没有公约数(除了1)。这是反证法能够奏效的一个关键点。

2. 进行推导,找出矛盾。
既然我们假设 $sqrt{2} = frac{p}{q}$,那么两边平方,得到 $2 = frac{p^2}{q^2}$。
交叉相乘,得到 $2q^2 = p^2$。

到这里,我们看到了一个非常重要的信息:$p^2$ 是一个偶数(因为它是 2 乘以另一个整数 $q^2$)。

关键推论:如果一个整数的平方是偶数,那么这个整数本身也一定是偶数。
为什么?我们可以这样想:如果一个整数是奇数,那么它可以写成 $2k+1$ 的形式(其中 $k$ 是另一个整数)。它的平方就是 $(2k+1)^2 = 4k^2 + 4k + 1 = 2(2k^2 + 2k) + 1$。这个结果显然是一个奇数。所以,只有偶数的平方才可能是偶数。
在我们的证明中,既然 $p^2$ 是偶数,那么 $p$ 也一定是偶数。

既然 $p$ 是偶数,我们就可以把它写成 $p = 2m$ 的形式(其中 $m$ 是另一个整数)。
现在,我们把 $p = 2m$ 代回到我们之前推导出的方程 $2q^2 = p^2$ 中:
$2q^2 = (2m)^2$
$2q^2 = 4m^2$
两边同时除以 2,我们得到 $q^2 = 2m^2$。

又一次,我们看到了一个非常重要的信息:$q^2$ 是一个偶数(因为它等于 2 乘以另一个整数 $m^2$)。
根据我们刚才的推论:如果一个整数的平方是偶数,那么这个整数本身也一定是偶数。所以,$q$ 也一定是偶数。

3. 发现矛盾。
我们最初的假设是 $frac{p}{q}$ 是一个最简分数,也就是说,$p$ 和 $q$ 没有公约数(除了1)。
但是,我们经过推导发现,$p$ 是偶数,$q$ 也是偶数。这意味着 $p$ 和 $q$ 都有一个公约数 2。
这就产生了矛盾!我们从“最简分数”出发,推导出了“有公约数2”,这是不可能的。

4. 得出结论。
由于我们从“$sqrt{2}$ 是有理数”这个假设出发,推导出了一个逻辑上的矛盾,那么我们最初的假设就一定是错误的。
因此,$sqrt{2}$ 不是有理数,也就是 $sqrt{2}$ 是无理数。

为什么这个证明“属于”初等数学?

你看这个证明过程,它用到的是什么?

整数的概念: $p, q, m$ 都是整数。
分数和约简的概念: $frac{p}{q}$ 是分数,并且假设它是最简的。
代数运算: 平方、乘法、除法。
整除性和奇偶性: 偶数、奇数、公约数这些概念。
逻辑推理: 反证法本身是一种非常基础的逻辑工具,在初等数学和更高级的数学中都广泛使用。

这些概念和工具,都是初等数学非常核心和基础的部分。它并没有超出我们平时接触的加减乘除、分数、代数方程的范围。

与更严格定义的联系

你提到初等数学不严格定义数系,但我们却能用它证明 $sqrt{2}$ 是无理数。这其实也说明了一个问题:即使没有形式化的公理化定义(比如集合论中的皮亚诺公理定义自然数,或者戴德金分割定义实数),我们对这些数的直观理解和它们的基本性质(比如“整数的平方是偶数则它本身是偶数”这种性质)已经足够支撑起这样的证明了。

更严格的定义,比如集合论中的构造,它们更多的是为了:

提供坚实的基础: 确保数学大厦的每一个基石都是稳固的,不会因为模糊的概念而产生根本性的问题。
统一性: 确保所有数系都能从更基本的数学对象(比如集合)中推导出来,建立起统一的数学语言。
处理更复杂的问题: 在一些非常深入的数学研究中,比如分析学中涉及到无穷小、无穷大,或者集合论本身,我们就需要这种严谨性。

但对于证明 $sqrt{2}$ 是无理数这样“相对”基础的问题,初等数学的直观理解和基本逻辑工具已经足够了。它就像是你在学习如何辨别一块木头的质量和用途,你不需要去了解木材细胞的结构,但你已经能判断出它适不适合做家具了。

总而言之,初等数学的“不够严格”是在其应用层面的一种取舍,而证明 $sqrt{2}$ 是无理数所需要的工具和逻辑,恰好都在初等数学能够妥善处理的范围内。反证法是关键,它让我们从一个“不可证”的设定出发,通过对基本数性质的运用,最终指向一个明确的矛盾,从而确立了原命题的真实性。

网友意见

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初等数学中有一些隐含的先验假定,比如自然数构成一个交换半环(满足加法结合律,加法交换律,乘法结合律,乘法交换律,乘法分配律)。在这个基础上证明根号2是无理数足够了。

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其实很多人都不知道,所谓的希帕索斯发现了根号二为无理数,并不是完全像我们今天这样先用整数之比定义有理数,然后证明使得平方等于二的那个数字不能被写成两个整数之比。而是用几何证明的。

用当时的语言体系,应该是任何两个数字,都是可公比的。

这是什么意思呢?就是说,任何两个数字,如果我反复对他们做辗转相减,那么一定在某个时候(有限步之内),某一个数字会变成0。

有人会反应过来,这不就是求两个数字的最大公约数嘛!对,所以这个信条翻译一下,就是任何两个数字,一定有一个有限小(不管多小但是有限)的单位,使得它们两个都是这个单位的整数倍。

又因为整数1天然存在,所以1可以和任何数字公比,所以任何数字x和1可以表示为一个共同单位的p和q倍,换言之就是 。

好,那么这样我们就知道了,其实希帕索斯当年做的,并不是我们熟知的从 没有整数解证明根号二不是有理数的,而是用几何的方式显性的做辗转相减的事情。

什么意思呢?从一个正方形出发,我们先用一个圆弧把对角线AC减去一条边的长度AB,并且留下剩余长度PC。

与此同时,我们引P处圆弧切线PE交BC于E点。注意到PCE是一个等腰直角三角形,而EB和EP为E点对圆引出的两条切线,所以PC=PE=BE。

所以,我们原来是从AC上减去了AB得到CP,现在我们要公比CP和BC,也就是要从BC上减去CP了,通过搬运我们发现CP=BE,所以BC-CP=BC-BE=CE。

好!重点来了!我们原来要公比AB和AC,现在要公比CP和CE,但是我用绿色画出了一个全新的正方形!换句话说,你回到了完全相同的相似关系上!这意味着,同样的流程可以对新的小正方形完全重复使用,而这个过程无穷无尽!

这直接动摇了任何两个线段都能在有限次之内公比的根本信念,所以希帕索斯就被丢到海里了,以至于今天的人还在问他当年怎么连实数都还没定义好就能知道根号二是无理数。

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