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第六章 无穷无尽的数

    假如你有无穷的财富,那么你分给地球上的每一个人,每一个人都会拥有无穷的财富。这是不是很奇妙?

    在“十一”黄金周青岛的海滨,天气晴朗,海风阵阵,海滨浴场还有人在游泳。午饭后,爸爸和妞妞在海边散步。爸爸四十多岁,一身休闲装,浓眉下目光炯炯,头发有些过早的斑白,将军肚也不知道什么时候开始出现了,不过身体看上去还是非常匀称、健壮。

    “什么东西是无穷无尽的?”妞妞望着大海,轻声地问爸爸。

    妞妞十一岁了,已经上小学六年级了,是一个十分聪慧的小女生,身材高挑,有着一双充满好奇和探索光芒的大眼睛,嘴角有些顽皮地向上微微翘起,总希望能提出一些有趣的问题把爸爸难住。

    妞妞问:“大海那边是什么呢?”

    茫茫大海的尽头,只看见海天分隔的一条线,线上面是蓝蓝的天空,挂着几丝白云;线下面是深蓝色,甚至有些深绿色的大海。海上有几条大货船,似乎凝固在海中。

    “海是有尽头的,海的那边近一点说是日本,远一些说是美洲大陆。”爸爸回答道。

    “那么沙子是不是无穷无尽的呢?”妞妞问道。

    “当然不是,沙子到底有多少粒,我们不太容易数得清,但是它肯定是有数的。”爸爸沉吟了一会儿,想着如何把这个问题讲得更加清楚一些。“地球的重量是一个固定的数,尽管它很大,但它所包含的物质是有限的。所以地球上的沙子肯定也是有限的。”

    “我知道,数字是无限的。”妞妞眨巴着明亮的眼睛继续说,“1,2,3,4,5,6,7,…没完没了,直到无穷无尽。”

    “妞妞真是个爱动脑筋的好孩子。的确,自然数是没有穷尽的,但是你想过没有是自然数多,还是偶数多呢?”爸爸有意挑战妞妞的思维。

    “当然是自然数多,因为偶数没有1,3,5,7这样的奇数嘛!”妞妞微笑,觉得这是一个很容易回答的问题。

    “那么现在假设你那有一副无穷无尽的扑克牌,上面都是自然数。我也有一副扑克牌,上面都是偶数,我们比一比看看谁的牌多好不好?”

    “好呀!”妞妞觉得这个游戏不会有什么意思,但是爸爸平时都不让她玩扑克牌,这样的扑克游戏玩一玩也不错。

    “你每出一张牌,我都出一张它的两倍数。比如,你出1,我就出2;你出2,我就出4。这样你出任何一张牌,我总有牌和你对应。我的牌还比你的牌大呢!”爸爸含笑看着妞妞,“这样看来,我的牌怎么会比你的牌少呢?”

    “可是我有你没有的牌呀,你怎么能够和我的牌一样多呢?”妞妞十分困惑。

    “我们说的个数的这个概念,在无穷的世界里,失去了度量的意义。这好像有些奇怪,而且过去也让许多数学家们困惑过。”爸爸希望能用尽量简单的语言把这个问题说清楚。

    “比如,自然数是一个无穷的数字队列,把其中特别的任意多个数字拿掉,这次我们拿掉的是奇数,剩下的数字依然是一个无穷的数字序列,我还能和你玩扑克游戏。你出一张,我就能出一张,让我的偶数和你的自然数一个一个对应。”

    “在无穷的偶数中拿掉有限的数字,比如,把从2开始一直到1000000000(十亿哟!)的偶数都拿走。从1000000002开始,你出任何一张牌,比如,n,我就出1000000000+2n,怎么样?我依旧是总有牌出的。”

    “那么一个无穷数列里去掉一个无穷数列后,也会剩下一个无穷数列吗?”妞妞似乎开始有些明白。“从我的自然数队列里面把奇数列拿掉,剩下的是偶数列,奇数列和偶数列都是无穷的数列。”

    “这不一定总能成立,比如,在自然数数列中,从1000开始我们把之后的无穷数列去掉,剩下的就是一个从1到1000的有限数列了。”妞妞点了点头,表示自己已经明白。

    “一般而言,无穷数列的奇数项和偶数项各自单列,是能够构成两个无穷的数字队列的。实际上按照这样的方式,可以分出任意有限个无限数列。这个特点和有限队列均分之后数量减少的性质完全不同。一百个士兵,均分为十队,每队就只能有十个人,对不对?”爸爸希望这些没有让十几岁的小脑袋瓜糊涂。妞妞点点头,爸爸接着说。

    “但是无穷数字队列就不一样了。比如,无穷的自然数数列,按顺序均分为1000000000个数列,每一个数列都可以是无穷的数列。我们可以把第K个数列表示为n×1000000000+K,其中n表示自然数。也就是说每隔10亿抽出一个数,可以形成10亿个无穷数字队列。”

    爸爸和妞妞慢慢往前走。沙滩上有许多孩子放风筝,五颜六色的风筝高高飞翔,光脚的孩子们欢笑着奔跑,可妞妞似乎一点都没有注意到。“就像孙悟空的分身法术,能变出许多的孙悟空,而自己一点都不受损失。”

    妞妞抬起头,若有所思地说。“尽管它们每一个数列要经过1000000000次之后才能得到一个数字,但是它们居然还都是无穷多的数列!太不可思议了!齐天大圣孙悟空?”

    “这只是一个比方!想一想,假如你有无穷的财富,那么你分给地球上的每一个人,每一个人都会拥有无穷的财富。这是不是很奇妙?可惜这种事情只能在无穷数列的世界里才能发生,因为人们还没有办法找到拥有无穷无尽现实财富的方法。”

    妞妞点点头,表示自己有些明白了。“这确实太奇妙了!可是,爸爸,吝啬鬼故事里面的鸡生蛋,蛋孵鸡,算不算是无穷无尽的财富呢?”

    有个故事是说吝啬鬼偶然捡到了一个鸡蛋,非常高兴。回家后对妻子说:“我们家发财就靠这个蛋了,蛋孵鸡,鸡生蛋,蛋再孵出更多的鸡。”前些时候爸爸给妞妞讲过这个故事。

    爸爸回答说:“如果我们考虑无限长的时间,的确是可以有无穷多的鸡和蛋。如果这就是财富的话,就是无穷的财富。可惜我们无法找到能够永远不死的人来管理和分享这样的财富。换句话来说,这不是现实的财富。再说地球是有限的,地球上能够养活的鸡也会有限度。”

    妞妞看上去有些失望。

    爸爸接着说:“按照我们刚才说的扑克游戏,我们也可以拿平方数和自然数一一对应,对不对?你出任何一个自然数,我就出它的平方。”

    “对,但是这还是两个一样无穷的数列呀!”妞妞这次不再上当了。

    “我们没有办法比较它们的个数多少,但是我们可以比较它们变大的快慢,对不对?妞妞,如果一个自然数比另外一个大,那么它们的商有什么特点?”爸爸问妞妞。

    “商应该大于1。”妞妞回答。

    “n和n2都可以变得无穷大,但是它们跑向无穷大的‘速度’是不一样快的,显然n2要跑得快些。数学家们是这样定义的,如果还是一个无穷大的量,那么我们就把n2叫作比n高阶的无穷大。如果这个商是一个常数,那么我们就称这两个无穷大量是同阶的无穷大量;如果它们的商是一个一次项,就称分子为高一阶无穷大;商是二次项,就称分子为高两阶的无穷大,依次类推。”爸爸慢慢地说,不想说得太快,让小孩子反应不过来。

    “自然数列和偶数列是同阶无穷大量,可是自然数列不是比偶数数列变大快一倍吗?为什么它们还是同阶呢?是不是因为它们的差距还不够大?”妞妞很是为自己的数列不能比爸爸的数列高一阶而不平。

    “这也没什么难理解的,快一倍是没错,但是只是相差常数倍,对不对?在无限的世界里,常数倍意味着没有实质的改变。就像你上小学,一年级、二年级,直到五年级、六年级都是小学生,但是过了六年级,你就升初中了。中学生和小学生就是根本的变化。”

    看见妞妞陷入了深深的思考中,爸爸慢慢地说:“无穷的概念可以类似地推广到负无穷大。我们把自然数扩展到负数,那么-n2和-n(n代表自然数)相比,依旧是要快一阶的负无穷大量。还可以把它推广到无限接近某一个数。比如,无限靠近0的数列,当n变大时,它与0的差距变小,而且越来越小,可以比你拿出的任何数都小。我们就说当n趋近于无穷大时,趋近于0。显然我们可以说是比高一阶的无穷量,它跑向0的‘速度’要快很多,对不对?只是我们把无限趋近于0的无穷量叫作无穷小量。实际上,这些结论当我们把自然数n换成实数时,也都是成立的。”

    妞妞说:“这些有点儿难了,不过我知道了当我们进入无穷世界时,会发生许多神奇的事情。今天是不是就先到这里,我还要去捡一些好看的贝壳。”沙滩上间或能看到五彩斑斓的贝壳,看来妞妞低头思考的时候也还是没有忘记一个孩子的天性。

    “没问题,只是你能不能在找贝壳的时候想一想,除了数字和时间之外,世界上还有什么是无穷的,好不好?”爸爸微笑地看着往海边跑的妞妞。

    “当然,没问题!我真希望我有无穷的贝壳!”妞妞跑得老远了,还在大声地喊。

    “只是希望你拥有了无穷的贝壳之后,不要太失望!”爸爸喃喃地说,面带微笑。