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蒂莫西·高尔斯在《数学:一个非常简短的介绍》中提到,0.999… = 1的等式也不过是一个约定:“然而,这个约定决不是随意取的,因为如果不采用这种数系,我们就被迫得要么发明一些新奇的东西,要么抛弃大家熟悉的算术规则。
所以,我们必须着手构建新的算术规则。
首先,要使得0.999…<1,那么,必须一点就是1 - 0.999…大于0。
但是,里奇曼说,我们没必要去管1 - 0.999…,我们只要扔掉减法,一切就没问题了。
确实,只要扔掉减法,1 - 0.999…就不等于0,不过换句话说,它就什么也不是了。
里奇曼进行了这样的尝试。要抛弃减法就要抛弃相反数,这样一来,我们构造的就不能是群或者环,而是半群、幺半群或者半环。
为了最大限度保持原来实数集的良好性质,我们需要考虑的就是交换半群、可交换幺半群,还有半环。
另外,构造完后必须要有的性质就是0.999…<1,这是我们的初衷。
来看看里奇曼是怎么定义的吧。首先,里奇曼把非负的“小数”定义为字面上的小数展开式。因为没有减法,所以他采用了字典序,也就是说从第一位开始往后比较,换句话说仅凭0.999…第一位是0就可以完全肯定0.999…<1。
但是,里奇曼尝试之后,发现对于任何一个有限小数x,必须都有0.999… + x = 1 + x。放心,由于没有减法,所以这个式子不能够导出0.999… = 1。所以“小数”的一个独特之处,是等式两边不能同减一个数。
另外一个令人惊讶的地方就是,在这样定义之后,没有任何一个小数对应着1/3。
然后,里奇曼把乘法也定义了以后,“小数”便形成了一个正的、全序的、可交换的半环。
然而1/3不存在还是太别扭了。所以,为了把所有的实数囊括进来,里奇曼还定义了另外一种类似于戴德金分划的系统,他称之为“分割D”,它是小数的戴德金分划的集合。
用这种定义便可以得出全体实数,但对于小数d他既允许分划(−∞, d ),又允许“主分划”(−∞, d ]。
这样做的结果,就是实数与“小数”“不舒服地住在一起”。这个系统中也有0.999… < 1。
另外一点就是,在“分割D”中不存在正的无穷小,但存在一种“负的无穷小”——[0−],它没有小数展开式。里奇曼得出结论,0.999… = 1 + [0−],而方程“0.999… + x = 1”则没有解。
这样看来,我们所新定义的系统,并不比原来的实数集好,它仍旧是违背直观的,首先就是没有减法,其次就是有负无穷小但没有正无穷小。
并且,要想真正理解这个系统,还必须对代数有相当的研究(至少要理解半环)。所以这种构造并不是很理想的。
2013年07月12日 04点07分
