在所有实数中任取一个数,是有理数的概率居然是0!最严格证明!
文章标题这句话换一个说法就是:在实数轴上任意取一个点,这个点对应的实数是有理数的概率是0!
首先明确,这个结论在数学语言中是绝对正确的,是毫无争议的!
也许你会想到,有理数有无穷多个,完全有可能这个点就落在了原点处,对应的实数就是有理数0,那么取到有理数的概率怎么可能是0呢?
在纯理论的角度,确实有可能取到的点对应的实数是有理数。但在严密的数学体系下,取到有理数的概率只能是0!
接下来进行严格的证明,取到有理数的概率是0!
整个实数轴太复杂,我们把问题简化一些,只考虑闭区间[0,1]上的所有点。问题转化为:在区间[0,1]上任取一点,这个点对应的实数是有理数的概率是多少?
我们先来看一个更简单的问题,在区间[0,1]上任取一点,这个点落在区间[1/3,2/3]上的概率为多少?
根据测度论的知识体系,所求概率为区间[1/3,2/3]的测度比上区间[0,1]的测度,也就是区间[1/3,2/3]的长度比上区间[0,1]的长度。
区间[1/3,2/3]的长度为2/3-1/3=1/3,区间[0,1]的长度为1-0=1。
所以所求概率为P=1/3:1=1/3
所以,现在我们所要求的问题转化为在区间[0,1]上,所有有理数的点组成的集合对应的长度比上区间[0,1]的长度1。
接下来我们来讨论:在区间[0,1]上,所有有理数的点组成的集合对应的长度为多少?
我们假设在区间[0,1]上所有的有理数分别为:q1、q2、q3、……、qn、……
取任意足够小的正数ε>0,令
q1∈(q1-ε/4,q1+ε/4)
q2∈(q1-ε/8,q1+ε/8)
q3∈(q1-ε/16,q1+ε/16)
…………
qn∈(q1-ε/[2^(n+1)],q1+ε/[2^(n+1)])
…………
区间(q1-ε/4,q1+ε/4)的长度为:(q1+ε/4)-(q1-ε/4)=ε/4+ε/4=ε/2
区间(q1-ε/8,q1+ε/8)的长度为:(q1+ε/8)-(q1-ε/8)=ε/8+ε/8=ε/4
区间(q1-ε/16,q1+ε/16)的长度为:(q1+ε/16)-(q1-ε/16)=ε/16+ε/16=ε/8
…………
区间(q1-ε/[2^(n+1)],q1+ε/[2^(n+1)])的长度为:
{q1+ε/[2^(n+1)]}-{q1-ε/[2^(n+1)]}=ε/[2^(n+1)]+ε/[2^(n+1)]=ε/(2^n)
…………
显然,所有有理数的集合{q1,q2,q3,……,qn,……}的长度:
d<ε/2+ε/4+ε/8+……+ε/(2^n)+……
注意到数列ε/2,ε/4,ε/8,……,ε/(2^n),……
构成一个首项a1=ε/2,公比q=1/2的无穷递缩等比数列
根据无穷递缩等比数列求和公式,所有项之和
S=lim(Sn)=lim{[a1×(1-q^n)]/(1-q)}
=[a1×(1-0)]/(1-q)=a1/(1-q),n→∞,-1<q<1
S=a1/(1-q)
由于-1<q=1/2<1,所以
S=ε/2+ε/4+ε/8+……+ε/(2^n)+……
=(ε/2)/(1-1/2)=(ε/2)/(1/2)=ε
d<ε/2+ε/4+ε/8+……+ε/(2^n)+……=ε
注意到ε是任意足够小的正数
也就是说d比任意小的正数还要小
那么d只能为0
所以,所有有理数的集合{q1,q2,q3,……,qn,……}的长度d=0
所以,取到有理数的概率P=0/1=0
至此,我们终于严格证明了这一结论。现在我们可以回答最开始的疑问了,为什么我们有可能取到有理数,但却说取到有理数的概率是0呢?根本原因就在于数轴上的一些点集相对于整个数轴而言,是完全可以忽略不计的。尽管有理数集有无穷多个,但这无穷多个点的集合长度是0,所以取到有理数的概率也是0。
到这里,你又产生了新的疑问。既然有理数集我们可以这样操作来证明长度为0,那我们也可以采用同样的操作方式来证明无理数集的长度也是0啊!
答案是否定的!无理数集不能采用以上操作!
因为有理数集可以写成有序集合{q1,q2,q3,……,qn,……},但无理数集无法做到这一点。
原因在于有理数集是可数的,而无理数集是不可数的。
我们知道所有有理数都可以表示成分子分母互质的整分数,那么我们就可以将区间[0,1]上的所有有理数依次有序的排列出来:
0,1,1/2,1/3,2/3,1/4,3/4,1/5,2/5,3/5,4/5,……
区间[0,1]上的任何一个有理数都可以在这个有序列中找到一个确定的位置。
但对于无理数集,你无法找到任何一种有序的排列方式将所有无理数依次排列出来。
再换一种说法,无理数集在实数轴上是连续的、稠密的,而有理数集在实数轴上是间断的、离散的。所以无理数集几乎填满了整个实数轴,而有理数集只是实数轴上一些分散的点集。
我们也可以这样来理解,任何两个相邻的无理数之间是没有缝隙的,而任何两个相邻的有理数之间存在缝隙,里面还有无穷多个无理数。
所以,在实数轴上任取一点,取到有理数的概率为0,而取到无理数的概率为100%=1。
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