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四、和无限小数很类似的连分式和无穷层根号连环套

有的人认为,无限小数也是有最后一位的,只是最后一位是在无穷远处,我们看不到了。甚至认为0.33...的最后一位不是3。
这种想法让我想起了高中时的一段往事。
那时还没有学习极限, 就有这样的问题:求

\frac{1}{1+\frac{1}{1+\frac{1}{1+\dots}}}

 (1)
还有

\sqrt{1+\sqrt{1+\sqrt{1+\cdots}}}

 (2)
它们都是无限形式的式子,解决方法是列方程:对第一个式子,x=1/(1+x),对于第二个, x=\sqrt{1+x},每一个方程都有两个根,且都有一正一负,最后都把负的舍掉,以正值作为无限式的取值。
不过那时对老师的这种做法很有疑问:要说对于第二个式子,在实数中算术平方根总是正的,那么第一个式子为什么就一定是正的呢?如果它取负值,似乎也并没有什么矛盾。而且,简单地以第二个式子要取正值,就把负根舍掉,似乎比较牵强。万一两个都是正根呢?
能否出现两个正根的时候呢?故意找一个有两个正数根的二次方程,我也构造了一个类似的无穷形式:

\sqrt{-8+6\sqrt{-8+6\sqrt{-8+\cdots}}}


这样列方程解出来的一个是2,一个是4,取那一个?把它们代入验证,都成立(那是当然的)。它到底是多少?这种式子不存在吗?为什么上面那个式子就合法存在,而这个就不行?
学了极限之后,我想到,这种无限延伸的式子应该就是一种极限。那么它是什么数列的极限呢?它们似乎是对某个数无穷次套根号或向上加无穷层分数线这个过程的一个最终结果了。它的发源地应该在无穷远的那一头,从无穷远的那一头,只有一个数的地方就是第一项,然后一次次地套上根号,一次一次地加上分数线,我们在无穷远的这头看到的只是最终的结果了,它的源头,它胎儿时期的形状已经看不见了。考虑

\sqrt{-8+6\sqrt{-8+6\sqrt{-8+\cdots}}}


如果它胎儿时期是2,那么无论套多少次根号,总是2,如果胎儿时期是4,最后它也会是4。哦,跟初值有关!那么初值取其它值的时候这个式子又会是什么呢?可以证明,当初值取在[4/3,2)上时,经过有限次之后式子变得在实数中无意义;而当初值取大于2的任何值时,它最终是4,只有当初值为2时,它最终是2。(提示:可以在图像上看到这个迭代过程,在坐标系中画出f(x)=x和 g(x)=\sqrt{-8+6x}的图像,在坐标x0处,找到点(x0,g(x0)),从这一点平行于x轴做直线,与y=x相交于 (g(x0),g(x0)),再从这一点平行于y轴做直线,交g(x)图像于(g(x0),g(g(x0))),再向y=x做平行于x轴的直线...)
反过来思考上面的两个式子,不论初值取在哪一个正数,最后的结果都是一样的。而对于(1),初值取负数的时候是很有意思的。不妨自己分析一下。

上面的例子是否可以说明这样一个问题:对于一个无限的形式的表达式,如果单纯地认为它是一个数值,它可能是不确定的,而一旦我们从极限的角度分析,就会一下看到它的本质?

\sqrt{1+\sqrt{1+\sqrt{1+\cdots}}}


这样的,无穷远处的那个根号下的值已经无法影响到它的值了,我们可以放心大胆地说它的值就是(1+√5)/2,而对于

\sqrt{-8+6\sqrt{-8+6\sqrt{-8+\cdots}}}


我们只能说它不确定了。
类比于0.99...,最后那一位数是什么对它的值有任何影响吗?

三、实数定义概要

  整数分数统称有理数,无限不循环小数称为无理数,有理数无理数统称实数,实数与数轴上的点是一一对应的。
中学课本中这么简单几句话,要想透彻地把这几句话解释清楚,却需要很多知识,中学生是没有机会和精力学习这些知识的,一个人要想把实数系统理解透彻,需要消耗大学里相当长的一段时间,而这些知识又对数学的应用和理论发展用处不大,因此一般的大学,即使是数学系的本科,也不会系统地教授这些东西,默认你已经承认实数的那些通常的性质了。
  我在大学里花了相当长的一段时间研究实数的这些基础理论,研究数学的公理化方法,研究公理集合论。大学本科毕业时是我自己选题,写了毕业论文“实数的定义与性质”总结前人在这方面的工作。而今,这些都已经逐渐远去,一些技术细节也基本上忘记了。更糟糕的是,自己的毕业论文竟然没有留住,丢失了,虽然记得大概思路,但那些处理的细节已经记不得了。不过好在技术的处理并不是那么难而且大多数结论都能在书上找到。
  今天也并不打算论述实数定义的细节,那需要的篇幅不是我能承受的,写那些东西对别人也没什么用,只是提供一个大体过程,还有一些我那时所看的书,如果哪位对这个东西特别感兴趣,你先做个预习,然后在你读大学并且很有时间的时候去找书吧。
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二、实数中循环小数意义的补充说明

从这以后的连载系列内容都来自本人在百度帖吧的帖子。原帖地址:
http://tieba.baidu.com/f?kz=676219118

设a=0.33...(循环),它表示数轴上的哪一个点?我们在数轴上取这样一个线段序列:
首先,因为0<=a<=1,取第一段线段A1B1为0和1之间的线段[0,1];
然后,将A1B1十等分,看a的第一位小数,为3,那么取第二段线段A2B2为第三等分点和第四等分点之间的线段即[0.3,0.4]
再将A2B2十等分,看a的第二位小数,仍为3,那么取第三段线段A3B3仍然为第三等分点和第四等分点之间的线段即[0.33,0.34]
......
依此类推,得到一个线段序列AnBn,其中的任何一条线段都包含着下一条线段,并且随着n的增大线段长度可以达到任意小,与零无限接近。根据几何上的一些公理和性质(阿基米德公理和直线的完备性公理,其实也是实数的性质),在数轴上存在唯一一个点被所有线段覆盖,即存在唯一一个点在所有线段上,那么,0.33... (循环)就理所当然地应该表示这个点。容易证明,1/3就在所有线段上,因此0.33...(循环)就表示1/3。(从直觉上你也可以想象,如果0.33...(循环)能够表示一个点,那么它应该大于任何一个有限小数0.3333...33,而小于任何一个有限小数 0.33...34,即被我们做出的所有线段夹在中间,现在,恰好只有一个1/3就夹在中间。那么0.33...(循环)当然就表示1/3了。)
对于一般的一个正的无限小数a0.a1a2a3...,取A1B1为[a0,a0+1],将A1B1十等分,取A2B2为 [a0.a1,a0.a1+0.1],...,那么a0.a1a2a3...表示的是在所有AnBn线段上的唯一的那个点。(这里所说在线段上也包括线段的端点)

注意,0.33... (循环)应该表示的是1/3那个点,即使我们不做AnBn这些线段,0.33...(循环)表示的点依然是存在在数轴上的。0.33...(循环)既不是表示这些线段的序列,也不是表示这些线段的左端点序列,它就表示这些线段的交集:1/3那个点。那个点如果我们用3进制小数表示,只需要表示为0.1就可以了,如果用4进制小数,则表示为0.111循环,因为每次用4等分点划分线段时,它总是落在第一和第二等分点之间。

再看0.99循环这个数,依照上面的方法作出线段序列,看哪一个点在线段序列的所有线段上?显然,就是1。因此1有两种小数表示形式:1和0.999循环。因此0.999循环=1,是小数表示法的定义决定的。

上面无限小数的意义与我们通常所做的除法有什么关系呢?其实这个应该你自己去思考。这里略微提示:当1/3除不尽的时候,我们总是把余数添加一个0,而添加这个0就相当于把余数扩大为原来的十倍,这样下一位的商是什么意思呢?和我们上面讨论的把A1B1十等分有什么关系呢?
在做除法的每一步都时候,你都是得到了An,也就是得到的是上面讨论的线段的左端点,总是无法在有限的步骤里完全等于1/3,因此有人就认为无限循环小数无法准确表示1/3,但是错了,你每一步得到的只是左端点,只是个有限小数,当然无法完全等于1/3,但是0.33... (循环)却与这些左端点无关,他表示的是夹在所有An和 Bn之间的那个点,那就是1/3。

三年前写的有关芝诺悖论的文章

  这篇关于芝诺悖论的文章分两个部分,前一部分指出通常的极限理论并没能完整解决芝诺悖论,是三年前刚毕业时写的;后一部分分析芝诺悖论几种可能的解决途径,是第二年五一时写的。因为当时对非标准分析完全不了解,只是道听途说地把别人的描述照搬过来,有很多谬误。
  因为在《无限循环小数0.99...是否等于1》系列文章中,在讨论数学无限观的时候还要再次分析芝诺悖论和无穷小分析,所以这个就不归到连载里了。
  全文如下:

芝诺悖论漫谈(上)

  我在初中学习反比例函数的时侯,对函数图像和X轴“无限接近却永无交点”这件事很是不解。两个物体,就拿手中的两支笔为例,既然在相触之前可以“无限地接近”,那么这个接近的过程就应该是“永远无法完成的”,但它们最终还是碰到了一起了。它们是如何从“无限接近”的状态一下子就碰到一起了?
  我想一定有很多人有过我这样的困惑。然而我那时认为这也只是胡思乱想罢了,所以当时把它忽略了。
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一、无限小数在实数中的意义

这是三年以前写的一篇博客文章,原题叫《给初中生们讲解无限小数、无理数,以及0.999…等于1的问题》。后来被转载到百度百科的“无限小数”词条。本来是有出处的,后来博客被关闭,出处也被删掉了。原文如下:

0.99...=1这个结果是数学上确定的东西,但通常的解释都是要用极限理论的,对于一些中学生和某些没有很好理解极限理论的大学生们来说,他们还是有很多疑问的。因此,有些人想用各种迂回的办法说服他们,但这些解释往往又是不彻底的,很难有说服力。
今天我来用初等几何的方法给一个最接近极限理论和实数理论的解释。只要学过初中的平面几何,就应该能看懂。但我要讲的内容不仅限于此。如果你只对0.999…等于1的问题感兴趣,可以只看第四部分。但我相信其它部分对你也会有帮助的。
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