无限集分为可数无限集和不可数无限集。可数集例如:自然数集、有理数集、证书集;不可数集例如:实数集。
无限集比大小方法:如果两个无限集A、B的元素之间存在一一对应关系,则认为A和B两个集合一样大。
Q1:自然数和偶数一样多(奇数同理)
对于任意自然数ak,令a0=0,b0=0,a1=1,都有偶数bk=(-1)kak+k%2与之一一对应。
对于任意自然数ak,令a0=0,b0=0,a1=1,都有奇数bk=(-1)kak+k%2-1与之一一对应。
Q2:自然数和整数一样多
对于任意自然数ak,令a0=0,b0=0,a1=1,都有偶数bk=[(-1)kak+k%2]/2与之一一对应。
Q3:自然数和有理数一样多
将有理数表示为m/n,m和n都是整数且n不等于0.
列表:
n\m | 1 | 2 | 3 | 4 | ... |
---|---|---|---|---|---|
n=1 | 1/1=1 | 1/2 | 1/3 | 1/4 | |
n=2 | 2/1=2 | 2/2=1 | 2/3 | 2/4=1/2 | |
n=3 | 3/1=3 | 3/2 | 3/3=1 | 3/4 | |
n=4 | 4/1=4 | 4/2=2 | 4/3 | 4/4=1 | |
... |
于是我们可以根据表,用一种折线排序法把有理数写成一个集和。每当遇到一个数在集和中已经存在时,跳过这个数。例如,根据上表我们得到的集和是:{1, 1/2, 2, 3, 1/3, 1/4, 2/3, 3/2, 4, ...},再将这个集和和自然数集进行一一对应即可。
Q4:实数集比自然数集大(或实数集是不可数集):
我们已知自然数集是可数集,只需证明实数集是不可数集即可。用反证法进行证明:
证明:
假设实数在(0, 1)上可数,则一定存在一个可数集合A{a1, a2, a3, ..., an} (n->+∞),这个集合包括了(0, 1)上的所有实数。
现在构造一个实数a0∈(0, 1),令a0小数点后的第k位和ak的第k位不同(0<=k<=n),则a0与集合A中的任意一个实数都有至少一位不同,因此a0不在集合A中。
因此不存在可数集合A,包括了(0, 1)上的所有实数,推广后可得不存在一个可数集合能够包括所有实数。
因此实数集是不可数集
Q5:对于平面直角坐标系xoy,x轴上的实数和整个平面上的实数一样多
要证明这个命题成立,需要证明:点集{(ak, bk)}和数集{ck}之间存在一一对应关系。
证明:
对于平面上横纵坐标均大于0小于1的正方形区域,令实数a∈(0, 1),b∈(0, 1),c∈(0, 1)
对于该区域内的任意点(a, b),可以构造出唯一确定的数c;对于该区域内的任意数,可以构造出唯一确定的点(a, b)
构造方法:
- 已知a,b:若a有n位,b有m位,构造c有2*MAX(m, n)位。a和b的各位分别构成c的奇分位和偶分位。
- 已知c:若c有n位,构造a,b有(n+n%2)/2位,c的奇分位和偶分位分别构成a和b的各位。
从该正方形区域推广到整个xoy平面即可。
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