从有理数到实数的这一步,是整个构建过程中最深刻、最反直觉的一次飞跃。
我们之前构建自然数、整数、有理数,都像是在用乐高积木搭建已知的、离散的结构。每一个新数,我们都能明确地指出它是什么,比如 -2 是 {(0,2), (1,3)...},1/2 是 {(1,2), (2,4)...})。但当我们面对实数时,尤其是面对那些无理数时,情况完全不同了。
我们能“命名”的无理数,像 √2, π, e。它们像是无理数海洋中几座孤立的、闪耀的灯塔。我们通过代数方程 (x²=2),几何定义,如圆的周长与直径之比,或分析定义,一个极限,来“捕捉”到它们。
那“绝大多数”的无理数呢? 它们是那些无法通过有限步骤的公式、方程或算法来精确定义的数。它们充满了整个数轴,但我们却几乎无法指认出任何一个具体的、有名字的它。那么,我们如何定义这个包含了所有有理数和所有无理数的、完整的实数连续统呢?
数学家的解决方案:从“个体”到“整体”的视角革命。既然我们无法抓住每一个实数,我们就改变策略,我们去定义“实数系”这个整体所必须具有的、完美的性质。这就像我们无法逐一检查宇宙中的每一颗尘埃,但我们可以研究宇宙法则,比如引力、光速。
有两个经典的、实现了这一方案,它们都放弃了直接定义数本身,转而定义“数的关系”或“数的位置”:
戴德金分割:一个实数,被定义为将有理数集Q分成非空的两部分(A, B)的一种特定方式,其中A中的每一个有理数都小于B中的每一个有理数,并且A中没有最大的元素。每一个这样的“分割”,就定义了一个实数。
√2 是什么?它就是所有平方小于2的有理数的集合A,和所有平方大于2的有理数的集合B。看,我们没有直接说 √2 是什么,我们只是精确地描述了它在有理数系中所处的位置,它是一切“不够大”和“太大”之间的那个精确的、唯一的缝隙。
柯西序列:一个实数,可以被定义为一系列有理数“无限逼近”的最终目标。比如,π 可以被定义为序列 {3, 3.1, 3.14, 3.141, 3.1415, ...} 的“极限”。但问题是,很多不同的序列都逼近同一个值。所以,我们再次请出我们的老朋友——等价关系!我们宣布,两个柯西序列是等价的,如果它们的项最终无限接近。而一个实数,就是所有这些等价序列构成的等价类。
戴德金的“空间”视角:静态的、整体的。他看待的是完整的、已经存在的数轴。
他的问题是:“这条连续的线是由什么构成的?”
他的答案是:由所有可能的“切口”构成。每一个分割本身就是一个实数。
它的美感在于其完备性和确定性。它一劳永逸地宣告,数轴是连续的,没有缝隙。你砍下的任何一刀,都必然命中一个确定的点(实数)。这是一种上帝般的、俯瞰的视角。
柯西的“时间”视角:动态的、逼近的。他看待的是一个过程,一种努力。
他的问题是:“我们如何到达一个数?”
他的答案是:我们永远无法在有限步内真正到达,但我们可以无限地、任意地逼近它。一个实数,就是所有朝着同一个终点奔跑的序列的等价类。
它的美感在于其可操作性和过程性。它告诉我们,尽管终极真理(实数)可能无法被最终触及,但通过不懈的计算序列的每一项,我们可以获得关于它的任意精度的知识。这是一种人类的、攀登的视角。
这两种视角合在一起,向我们揭示了那个最令人敬畏的本质:实数,是一种超越了我们有限操作能力的“存在”。
戴德金告诉我们,它就在那里,作为一个完美的、静态的、整体的结构。柯西告诉我们,我们这些有限的生物,只能通过一个无限的、渐进的、动态的过程去无限地接近它。这就像仰望一座雪山的顶峰。戴德金会说,顶峰是真实存在的空间中的一个点。柯西则会记录下你每一步的攀登,并断言,顶峰就是你所有可能攀登路径的最终指向。