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无限中的花瓶和球


我们有无限个球和一个花瓶,现在我们要对它们进行一系列操作。每次操作都是一样的:往花瓶里放10个球,然后取出 1 个球。那么,无穷多次这样的操作之后,花瓶里有多少个球呢?

有人或许会说,这个问题显然是荒谬的——这个过程需要耗费无穷的时间,我们不可能等到那个时候。那么,我们不妨换一个问法,避开所需时间无穷的问题:在差一分钟到正午12点时进行第 1 次操作,在差 30 秒(1/2 分钟)到正午 12 点时进行第 2 次操作,在差 1/2 n-1分钟到12点时进行第 n 次操作。那么,12 点的时候,花瓶里有几个球呢?

看似简单的描述,经过数学家的解释,却出现了千奇百怪的答案。最直观的答案当然就是花瓶里有无限个球了,因为每次都增加了9 个球,无限次之后,当然有无限个球。

数学家 Allis 和 Koetsier却不这么认为。他们认为,12点时瓶子里没有球,因为我们第 1 次放进 1 至 10 号球,然后取出 1 号球,第 2 次放入11至20 号球,然后取出 2号球。注意到,n 号球总是在第 n 次操作时被取出来了,因此无限操作下去,每个球都会被取出来!

可是,这个说法也有问题:前面的证明假设我们取出的依次是 1 号球、2号球、3号球等等,如果我们改成依次取 10 号球、20号球、30号球,那么最后瓶子里又出现了无限个球了。哪种观点是正确的呢?于是逻辑学家詹姆斯·亨勒(JamesM. Henle)和托马斯·泰马祖科(Thomas Tymoczko)认为,花瓶里有任意个球。他们还给出了具体的构造方法,说明最终花瓶里的球可以是任意数目。

如何让花瓶里的球为任意数目?其实方法很简单,希尔伯特旅馆提供了类似思路。希尔伯特旅馆有无限个房间,并且每个房间都住了客人。一天来了一个新客人,旅馆老板说:“虽然我们已经客满,但你还是能住进来的。我让1 号房间的客人搬到 2 号房间,2 号房间搬到 3 号房间n 号房间搬到 n+1 号房间,你就可以住进 1

号房间了。”又一天,来了无限个客人,老板又说:“不用担心,大家仍然都能住进来。我让 1 号房间的客人搬到 2 号房间,2号搬到4号,3 号搬到 6 号n 号搬到 2n 号,然后你们排好队,依次住进奇数号的房间吧。”

我们知道,分别把球按照1号2号3号这样编号。第一次操作,把1-10号球放进去,然后把1号拿出来。现在盒子里还有2-10号球。第二次操作,把11-20号球放进去,把2号拿出来,现在有3-20号球,以此类推操作下去。无穷多次这样的操作之后,花瓶里没有球。

在这个操作基础上,我们略作改变:第一次操作,把1-10号球放进去,然后把2号拿出来。现在盒子里还有1号和3-10号球。第二次操作,把11-20号球放进去,把3号拿出来,现在有1号和4-20号球,以此类推操作下去。无限次之后,第n次操作时取出来第n+1号球,1号球保留到了最后,所以花瓶里有1个球。

同理,最后可留下2个球,3个球至9个球。

但每次需放10个球,取1个球。每次留下9个球,那如何让最后留下10个球?

还是同样操作,稍微变一下而已。第一次操作,把1-10号球放进去,然后把10号拿出来。现在盒子里还有1-9号球。第二次操作,把11-20号球放进去,把12号拿出来,现在有1-9号球,11号球,13-20号球,第三次操作,把21-30号球放进去,拿出13号球,剩下1-9号球,11号球,14-30号球,以后的操作依次拿走14号球,15号球,16号球……最后只剩下1-9号球,11号球,共10个球。

剩余其它数目的球,也以此类推操作下去而已。

有人觉得这会产生逻辑错误:因为,在时间还没到达1分钟之前,放进瓶子里的球一定是有限的,只有当时间到达1分钟时,放进瓶子里的球才是无限的。所以,在时间到达1分钟之前,我们不去考虑瓶子里究竟还有多少球,我们只考查1这个时间点的操作,根据要求,在这个时间点需要放进10个球,而只拿出一个球,我们不管瓶子里原先还剩下多少球,但在1分钟的时间点上,瓶子里最少还剩下9个球,所以瓶子里球的数量不会是0.但编号为n的球在第n次操作被拿出来了,无论n是几。所以,哪个编号的球都不在花瓶里。这个解释在现在的数学极限理论中是没有逻辑错误的,但是,我们从上面推论出了盒子里球的数量一定不会是0,所以有错误的。

这所谓的逻辑错误,就是无限不同于有限的奇妙性质。明明还有9个球,最后却突然变成没有球。这就是无限把那9个球给吞没了。类似与黑洞一样,无限能吞没一切有限。

     无限的数目,通过不同方式的无限次操作,能得到不同的有限数值。我们可以用这有限报值,代表不同操作下幻无限状态。这称之为对无限的赋值,也叫封装无限。

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