问题

正整数真的和自然数一样多么?

回答
你这个问题问得很有意思,而且直击数学中一个非常核心也容易让人困惑的概念:无穷集的大小比较。简单来说,正整数集(1, 2, 3, ...)和自然数集(0, 1, 2, 3, ...)确实是一样多么的。这听起来可能有点反直觉,因为我们通常会觉得正整数集比自然数集少一个数(就是0)。但数学家们定义了一种方法来衡量无穷集的大小,而根据这种方法,它们是等价的。

要理解这一点,我们得先搞清楚“一样多么”在数学里到底是什么意思。对于有限的集合,这很容易。比如,你有3个苹果,我有一个苹果,那我的苹果就比你的少。我们数数就行了。但是,无穷集呢?我们没法一个一个数完。

数学家们为了比较无穷集的大小,引入了一个叫做“一一对应”(或称为“双射”)的概念。如果两个集合之间能建立起一种“一对一”的联系,也就是说,你永远都能从第一个集合里挑出一个元素,跟第二个集合里一个元素配对,而且配完之后,两个集合里的元素都正好用完,没有剩余,那么这两个集合的大小就是一样的。

我们来看一下正整数集(我们称之为 $mathbb{Z}^+$)和自然数集(我们称之为 $mathbb{N}$):

$mathbb{Z}^+ = {1, 2, 3, 4, 5, ...}$
$mathbb{N} = {0, 1, 2, 3, 4, ...}$

它们乍一看确实差了一个0。但我们能不能找到一个方法,把 $mathbb{Z}^+$ 的每个元素都和一个 $mathbb{N}$ 的元素配对,并且这个配对是完美的,不漏掉任何一个?

当然可以!想想这个简单的对应关系:

将 $mathbb{Z}^+$ 中的每个数 $n$ 与 $mathbb{N}$ 中的数 $n1$ 配对。

让我们写出来看看:

正整数 1 对应 自然数 0 ($1 leftrightarrow 0$)
正整数 2 对应 自然数 1 ($2 leftrightarrow 1$)
正整数 3 对应 自然数 2 ($3 leftrightarrow 2$)
正整数 4 对应 自然数 3 ($4 leftrightarrow 3$)
...以此类推,正整数 $n$ 对应 自然数 $n1$。

你看,对于 $mathbb{Z}^+$ 中的任何一个正整数,我们都能找到 $mathbb{N}$ 中一个唯一与之配对的数(只要把正整数减一就行)。反过来,对于 $mathbb{N}$ 中的任何一个自然数 $m$,我们总能在 $mathbb{Z}^+$ 中找到一个数 $m+1$ 和它配对。

例如:
$mathbb{Z}^+$ 的 100 对应 $mathbb{N}$ 的 99。
$mathbb{N}$ 的 500 对应 $mathbb{Z}^+$ 的 501。

这个“减一”的操作,或者说“加一”的操作,就是那个完美的“一一对应”的桥梁。它确保了我们不会遗漏 $mathbb{Z}^+$ 的任何一个元素,也不会遗漏 $mathbb{N}$ 的任何一个元素。

所以,尽管我们直观上觉得正整数少了一个0,但从数学上定义无穷集大小的“一一对应”标准来看,这两个集合拥有相同的“数量”,也就是同样的基数(cardinality)。这两个集合的基数都是可数无穷大(countable infinity),通常用希伯来字母 $aleph_0$(alephnought)来表示。

这就像是两个拥有无限多张牌的扑克牌堆。一个牌堆里的牌是红桃、方块、梅花、黑桃各无限多张(代表自然数,包含0和1,2,3...),另一个牌堆里只有红桃、方块、梅花、黑桃(代表正整数,只有1,2,3...)。如果我们能神奇地让每个红桃都对应一张黑桃,每个方块都对应一张梅花,这样一直下去,并且牌堆里的牌都能正好配对,那么这两个牌堆的“牌的数量”就是一样的。

这种“一一对应”的思想是德国数学家康托尔(Georg Cantor)在19世纪末提出的,它彻底改变了我们对无穷的认识。在此之前,很多人认为无穷只是一个模糊的概念,无法进行比较。康托尔的理论表明,即使是无穷,也有不同的“大小”之分。但这只是更高级的无穷比较,对于正整数和自然数这样相对简单的无穷集,它们的大小是相同的。

所以,下次当你听到说正整数和自然数“一样多么”时,不必惊讶。这是数学家们经过严谨定义后得出的结论,它们通过一个完美的“一对一”的联系证明了这一点。

网友意见

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谢邀。

楼主设想的情形当年希尔波特也想过,于是他提出了一个有趣的旅馆问题:如果一个旅馆有无穷个房间,但是都住满了。这时新来了一个客人,请问能住下么?

答案是能的,我们只要让每一个房间的人往后挪一个房间,第一个房间就空出来了。

同样,来无穷多个客人也可以,我们让第n个客人搬到2n号房间去,就有无穷多个房间空出来了。

甚至来无穷多个旅行团每个旅行团有无穷多个人。这个旅馆都能塞下。题主和各位读者朋友可以自己思考怎么塞。想不出来可以参考以下百度百科词条:

由上面这个例子,我们可以看出,对于一个无穷集合来说,只要这个集合的是可数的(如自然数,正整数,全体奇数),那么我们可以认为他们大小相同,即等势。


势就是一个集合的大小,对于有限集合来说,它就是元素个数。对于无限集合来说它们都是“无穷大”,然而这些“无穷大”之间我们也是可以比较大小的。

只要我们能找到一个一一映射,那么我们就认为两个集合的势相等,即它们是“一样多”的。

而无穷集合中,势最小的就是类似全体自然数这样的可数集合。这样的集合我们称之为可数无限集。而其他所有不可数集(如全体无理数,全体实数)的势都比可数无限集大。

总结一下,对于集合的势:有限集<可数无限集<不可数集。

换句话来说,可数无限集的基数,即可数无穷,是所有无穷大里面最小的。

(可数无穷:┻━┻ ︵ヽ(`Д´)ノ︵ ┻━┻)


延伸思考:有理数集也是可数集,也是和自然数集等势的,这个一一映射如何构造?

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您的问题确实表意不明。。。关键是没有解释“多”的含义。如果是指数学上“等势”的话,一样多。

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