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2023-01-31
數學史上最讓人百思不得其解的等式：0.999……＝1
更新時間：2022-05-23 10:23:44作者：佚名
這個迷思可能從小學開始就在你們身邊流傳了——
因為：1/9 = 0.111...
2/9 = 0.222...
3/9 = 0.333...
所以：9/9 = 0.999...
即：0.999... = 1
0.999... = 1 嗎？此問題在國內外大大小小的網絡社區(qū)里出現(xiàn)了無數多次，每次都能引來上百人激烈的爭論，可謂是最經久不衰的老問題了。其實，在學術界里，這個問題也是出了名的爭論熱點。讓我們來看看，這個讓你百思不得其解的問題，是怎么折磨數學家們的……
最簡單的“證明”
最簡單的證明就是上文那樣：
1/3 = 0.333...
兩邊同時乘以 3
1 = 0.999...
1998 年，弗雷德·里奇曼（Fred Richman）在《數學雜志》（Mathematics Magazine）上的文章《0.999... 等于 1 嗎？》中說道：“這個證明之所以如此具有說服力，要得益于人們想當然地認為第一步是對的，因為第一步的等式從小就是這么教的?！贝笮l(wèi)·托（David Tall）教授也從調查中發(fā)現(xiàn)，不少學生看了這個證明之后都會轉而開始懷疑第一個等式的正確性。
仔細想想你會發(fā)現(xiàn)，“1/3 等于 0.333…” 與 “1 等于 0.999…” 其實別無二致，它們同樣令人難以接受。正如很多人會認為 “0.999… 只能越來越接近 1 而并不能精確地等于 1” 一樣，“0.333… 無限接近但并不等于 1/3”的爭議依舊存在。問題并沒有解決。
另一個充滿爭議的證明
大衛(wèi)·福斯特·華萊士（David Foster Wallace）在他的 《Everything and More》一書中介紹了另外一個著名的證明：
令 x = 0.999...
所以 10x = 9.999...
兩式相減得 9x = 9
所以 x = 1
威廉·拜爾斯（William Byers）在《How Mathematicians Think》中評價這個證明：“0.999... 既可以代表把無限個分數加起來的過程，也可以代表這個過程的結果。許多學生僅僅把 0.999... 看作一個過程，但是 1 是一個數，過程怎么會等于一個數呢？這就是數學中的二義性??他們并沒有發(fā)現(xiàn)其實這個無限的過程可以理解成一個數?？戳松厦孢@個證明而相信等式成立的學生，可能還沒有真正懂得無限小數的含義，更不用說理解這個等式的意義了?！?/p>
逐漸靠譜的證明
等比級數具有這么一個性質：
如果|r|
那么我們就又有了一個快速的證明：
這個證明最早出現(xiàn)在 1770 年大數學家歐拉（Leonhard Euler）的《代數的要素》（Elements of Algebra）中，不過當時他證明的是 10＝9.999... 。
之后的數學課本中漸漸出現(xiàn)了更為形式化的極限證明：
1846 年，美國教科書《大學算術》（The University Arithmetic）里這么說：在 0.999... 里，每增加一個 9，它都離 1 更近。1895 年的另一本教科書《學校算術》（Arithmetic for School）則說：如果有非常多的 9，那么它和 1 就相差無幾了。意外的是，這些“形象的說法”卻適得其反，學生們常常以為 0.999... 本身其實是比 1 小的。
隨著人們對實數更加深入的理解，0.999... = 1 有了一些更深刻的證明。1982 年，巴圖（Robert. G. Bartle）和謝波特（D. R. Sherbert）在《實分析引論》（Introduction to Real Analysis）中給出了一個區(qū)間套的證明：
給定一組區(qū)間套，則數軸上恰有一點包含在所有這些區(qū)間中；0.999... 對應于區(qū)間套[0, 1]、[0.9, 1]、[0.99, 1]、[0.999, 1] ... ，而所有這些區(qū)間的唯一交點就是 1，所以 0.999... = 1。
弗雷德·里奇曼的文章《0.999... 等于 1 嗎？》里則用戴德金分割給出了一個證明：
所有比 0.999... 小的有理數都比 1 小，而可以證明所有小于 1 的有理數總會在小數點后某處異于 0.999... （因而小于 0.999... ），這說明 0.999... 和 1 的戴德金分割是一模一樣的集合，從而說明 0.999... = 1。
格里菲思（H. B. Griffiths）和希爾頓（P. J. Hilton）在 1970 年出版的《A Comprehensive Textbook of Classical Mathematics: A Contemporary Interpretation》中，用柯西序列給出了另一個證明。
從未停止過的討論
盡管證明越來越完備，學生們的疑惑卻從來沒有因此減少。在品托（Pinto）和大衛(wèi)·托教授的一份調查報告中寫到，當學生們用高等方法證明了這個等式之后，會大吃一驚地說，這不對呀，0.999… 顯然應該比 1 小呀。
在互聯(lián)網上，這個等式的魅力也依然不減。辯論 0.999… 是否等于 1 被討論組 sci.math 評為“最受歡迎的運動”，各類問答網站中也總是會有網友激烈的討論。
一個八卦，諾貝爾獎獲者費曼（Richard Feynman）也用這個等式開過一句玩笑：“如果讓我背圓周率，那我背到小數點后 762 位，然后就說 99999 等等等，就不背了?！?/p>
這句話背后的笑點很奇怪：從 π 的小數點后 762 位開始，出現(xiàn)了連續(xù)的 6 個 9，偏偏在這里來一個“等等等”，就會給人感覺好像后面全是 9，這相當于把 π 變成了一個有限小數。此后，π 的小數點后 762 位就被戲稱為了費曼點（Feynman Point）。
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