有理数是一个整数a与非零整数b之比,简言之,它是一个分数,而不是一个“有道理”的数。那么,有多少有理数?约在公元前580年至公元前500年間,“万物皆数”的毕达哥拉斯学派认为,整个宇宙中的一切现象都可以用有理数描述,可见有理数是极其丰富的。
该学派的弟子希帕索斯惊人的发现表明了有理数的局限性。他證明了有理数无法与连续的无限直线理想契合,有理数并不能填满数轴上的所有点。在数轴上存在着无法用有理数表示的“间隙”,而这些“间隙”正是无理数。
那么,有多少无理数?与有理数相比,哪种数更多?下面从三个方面进行比较:
一、直观的比较
一些常见的无理数包括:①非完全平方数的平方根,例如:
,
,
,···;②圆周率
;③自然对数的底数e。事实上,我们还可以构造出更多无理数,例如:
(其中
{0}),
(其中
且
根据直觉,无理数的数量应远大于有理数。
基数比较
实数中的有理数形成一个稠密集合,即在实数轴上的任何小区间中都存在有理数(而且有无限多个)。有理数集合是可数的,这意味着可以通过唯一方式与整数集合一一对应,其基数为 N0。已知,所有无限集合中最小的基数为 N0,而实数集合具有连续基数 c,这意味着无理数集合也具有连续基数 c。根据康托-伯恩斯坦定理:
可以得知,显然在数量上,无理数远多于有理数。
测度比较
考虑闭区间 [0,1] 中的有理数和无理数。该区间的长度显然为 1,这意味着 [0,1] 中有理数和无理数的区间长度之和为 1。[0,1] 中有理数的勒贝格外测度为 0,因此该区间无理数的勒贝格外测度为 1。从长度角度来看,无理数比有理数多得多。
通过以上三个方面的比较,我们可以确定无理数的数量远大于有理数。通过测量闭区间 [0,1] 中有理数和无理数的勒贝格外测度,我们可以对无理数比有理数多多少有一个更生动的了解。