问题

所有正方形的数量与所有长方形的数量相等吗?

回答
这是一个关于集合包含关系的有趣问题,答案是:不是所有正方形的数量都与所有长方形的数量相等,而是所有正方形的数量是所有长方形数量的一个子集,并且存在无穷多的长方形不是正方形。

让我们来详细分析一下:

1. 定义:

正方形: 是一个特殊的四边形,它的四条边都相等,并且四个角都是直角。
长方形: 是一个四边形,它的四个角都是直角。长方形的对边相等。

2. 关系:

从定义可以看出,正方形是长方形的一种特殊情况。 也就是说,每一个正方形都满足长方形的定义(四个角都是直角),并且它的四条边也恰好相等。

我们可以用集合论的语言来描述这种关系:

设 $S$ 为所有正方形的集合。
设 $R$ 为所有长方形的集合。

那么,$S$ 是 $R$ 的一个子集,可以写成 $S subseteq R$。

这意味着,所有正方形都包含在所有长方形的集合之内。

3. 数量比较(这里的“数量”指的是集合中元素的数量):

现在我们来考虑这两个集合的数量。

所有正方形的数量: 我们可以想象一下,有边长为1的正方形、边长为2的正方形、边长为$pi$的正方形、边长为负数的数(但几何上边长非负,所以我们考虑正实数作为边长)等等。如果我们将边长看作是任意正实数,那么正方形的数量是无穷多的。

所有长方形的数量: 长方形的定义只需要两个相邻边的长度。我们可以想象长方形的边长可以是 $(1, 2)$、$(2, 1)$、$(1, 1)$、$(3, 5)$、$(sqrt{2}, sqrt{3})$ 等等。
当两个相邻边的长度相等时,我们得到一个正方形。
当两个相邻边的长度不相等时,我们得到一个非正方形的长方形。

由于边长可以是任意正实数,我们可以选择无数对不相等的正实数作为长方形的边长。例如:
边长为 $(1, 2)$ 的长方形(不是正方形)
边长为 $(1, 3)$ 的长方形(不是正方形)
边长为 $(2, 3)$ 的长方形(不是正方形)
边长为 $(sqrt{2}, 2)$ 的长方形(不是正方形)
等等,无穷多对不相等的边长组合。

4. 结论:

由于存在无数的长方形,其两邻边的长度不相等,因此这些长方形不是正方形。这些“非正方形的长方形”的数量也是无穷多的。

所以,所有长方形的集合 $R$ 中,包含了所有正方形的集合 $S$,并且还包含了无穷多非正方形的长方形。

因此,所有正方形的数量(也就是集合 $S$ 的基数)小于所有长方形的数量(也就是集合 $R$ 的基数)。 换句话说,它们不是相等的。

更形象的比喻:

想象一下,你有一个装满了所有长方形的袋子。袋子里:
有边长是1x1的正方形。
有边长是2x2的正方形。
有边长是$pi$x$pi$的正方形。
还有边长是1x2的长方形(不是正方形)。
还有边长是3x5的长方形(不是正方形)。
还有边长是$sqrt{2}$x$sqrt{3}$的长方形(不是正方形)。

袋子里装的正方形只是长方形的一部分,而还有更多的非正方形的长方形。所以,袋子里长方形的总数比正方形的总数要多得多(虽然都是无穷多,但长方形集合的“大小”更大)。

总结一下:

所有正方形都是长方形。
并非所有长方形都是正方形。
存在无穷多的长方形,它们的边长不相等,因此它们不是正方形。
所以,所有正方形的数量 不等于 所有长方形的数量。所有长方形的数量要多于所有正方形的数量。

网友意见

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谢邀。

正方形被其一条边长x所决定,其中,

x∈R

同理矩形被长y与宽x所决定,其中,

(x,y)∈R₊²

那么接下来只需比较R₊与R₊² 的势。


这个证明的关键是证明[0,1] ~ [0,1]x[0,1]即可。我简要说明一下:


命题 [0,1] ~ [0,1]x[0,1]

证明:

[0,1]内的数都可以表示为二进制,如

a=(0.10101010...)₂

我们可以将a的小数序列的奇数位与偶数位分别择出

x=(0.1111...)₂

y=(0.0000...)₂

这样我们就获得一个二元数组(x,y),很明显,x与y都介于0~1之间,故(x,y)是单位正方形中的点。

反过来也一样,任取单位正方形中的点P(x,y)的横、纵坐标分别作为a小数的奇数位和偶数位。

于是这就形成了[0,1]与[0,1]x[0,1]之间的双射

Q.E.D


从测度或者概率的角度看,得到一个正方形的概率比得到一个矩形概率明显更低。

设概率全空间Ω=[0,1]x[0,1],二元随机变量(x,y)分别表示矩形的宽与长。只有当x=y的时候,这时矩形才退化为正方形。从几何的角度看,x=y的点仅是单位正方形的对角线,测度为0,也就是说,从全空间获得的矩形几乎不是正方形。

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