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¿Nos permite comparar infinitos?

Estoy en la escuela secundaria y tenía una pregunta (mi papá me está ayudando con formato).

Estamos aprendiendo sobre el infinito en la clase de matemáticas y hay un montón de problemas como el de que esto no es un número, y como si le añades uno al infinito no cambia de valor.

Pero se puede tener una infinidad de ser más que otro? Hay una cantidad infinita de números impares y una cantidad infinita de números, por lo que hay la misma cantidad de números pares y los impares?

Yo creo que sí, porque por cada número impar $n$ hay un número $n+1$. Así que los números impares son $1,3,5,7,\ldots$, mientras que los números pares se $2,4,6,8,\ldots$, y durante el tiempo que deje de contar en un número par de las dos listas tienen el mismo número de cifras.

Pero también hay una infinita cantidad de múltiplos de $2$ y una infinita cantidad de múltiplos de $3$, pero creo que no hay la misma cantidad de ambos. Los múltiplos de $2$$2,4,6,8,\ldots$, mientras que los múltiplos de $3$$3,6,9,12,\ldots$, por Lo que, no importa el número de parada, los múltiplos de $2$ tendrá más números.


(Lado de la cuestión (esto es, papá hablando, ahora): ¿hay una manera fácil de explicar por qué tenemos que poner signos de dólar en torno a expresiones matemáticas para darles un aspecto más bonito? Mi hija no sabe lo $\LaTeX$ es, pero quiero darle una explicación que no es horriblemente mano-ondulado.)

71voto

Andy Puntos 21

En respuesta a la pregunta lado: las alertas que el sistema que usted quiere que ellos se representan como símbolos en lugar de dejar solos. Usted no desea que el sistema intenta dar todo de matemáticas, porque entonces se ve como $this which is really hard to read$ (a menos que usted la fuerza para insertar espacios, etc. con la mano). En esta pregunta no era realmente todo lo que sea necesario.

En cuanto a la pregunta: hay dos tipos principales de infinito que surgen con frecuencia en matemáticas. El que se menciona aquí es llamado infinito de cardinalidad. Esto significa que usted tiene algunos colección de cosas, y hay infinitamente muchas cosas en ella. Decimos que una colección es infinito en matemáticas si cada vez que la lista de cualquier número de $n$ de los elementos de la colección, a continuación, la lista será la que falta un elemento.

Por ejemplo, con los números enteros, si he a $n$ enteros en una lista, no puedo encontrar el más grande. Si eso $N$, $N+1$ es un número entero no en la lista. Así que hay infinitamente muchos enteros (como sabes).

La idea que se utiliza aquí es el emparejamiento de los elementos de su colección con los números enteros $1,2,\dots,n$. Si puedo emparejar cada elemento de mi colección con exactamente uno de los enteros $1,2,\dots,n$, entonces mi colección y $1,2,\dots,n$ tienen el mismo número de elementos, es decir,$n$.

Podemos definir la cardinalidad infinita de la misma manera: dos colecciones infinitas tienen la misma cardinalidad ("número de elementos") si que puedo emparejar cada elemento de uno con exactamente un elemento de la otra. El truco con las colecciones infinitas es esta palabra "puede". Se podría pensar que son menos aún los enteros positivos que no son enteros positivos, debido a que todos los enteros positivos son enteros positivos pero impares enteros positivos existen. Lo que has hecho está vinculado de cada entero positivo con un entero positivo en una forma, por la coincidencia de $n$$n$. Pero puedo pareja a cada entero positivo con un número entero positivo de una manera diferente: puedo igualar $n$$n/2$. A continuación, la verdad es que he encontrado a su pareja cada entero positivo con cada entero positivo. Así que tienen el mismo "tamaño", al menos si nos decidimos a definir el tamaño de este modo.

Un hecho sorprendente descubierta por Georg Cantor en la década de 1800, es que no todas las colecciones infinitas tienen la misma cardinalidad. La más familiar de las colecciones infinitas con diferentes cardinalidades son los números enteros y los números reales. Hay más números reales que no son enteros.

La forma en que el Cantor demostró esta es básicamente la manera en la que se demostró que existen infinitos números enteros positivos: de pareja cada entero positivo con un número real (la producción de una lista infinita de números) y, a continuación, presentar un número real que no está en la lista. La parte difícil es de nuevo esta palabra "puede": él tenía que venir para arriba con una receta para un número no está en la lista , no importa lo que la lista fue dada. Cantor demostró también que hay infinitamente muchos diferentes infinito cardinalidades, utilizando básicamente la misma idea.

54voto

sewo Puntos 58

Esta es una pregunta maravillosa; por desgracia, muchas de las respuestas saltar directamente a la explicación de la cardinalidad como si eso de alguna manera es LA única respuesta válida a sus reflexiones.

Ahora, no hay nada de malo con cardinalidad, es una interesante e importante concepto en matemáticas, y a menudo útil. Pero no hay ninguna regla de eso se dice que es cómo usted debe pensar en el tamaño de los conjuntos infinitos.

Si usted necesita para hacer algo que cardinalidades no son adecuadas para el, es totalmente permitido el uso de un concepto diferente en su lugar. En matemáticas estamos siempre libre para elegir a los conceptos y definiciones que nos ayudará a alcanzar nuestra meta, siempre y cuando tengamos claro lo que estamos haciendo (y mientras nuestra selección de definiciones no cambiar lo que el objetivo es, por supuesto. Si alguien establece un objetivo para usted, usted no puede salirse de que mediante la redefinición de las palabras que utilizan para significar algo diferente de lo que tenía en mente).

Por ejemplo, si estamos hablando de conjuntos de puntos en el plano, entonces la cardinalidad es a menudo demasiado cruda, una manera de hablar acerca de su tamaño. Un cuadrado de lado 1 cm y un cuadrado de lado 2 cm. en ambos contienen un número infinito de puntos, y de acuerdo a la cardinalidad de que ambos tienen la misma cardinalidad infinita porque podemos coincidir los puntos uno a uno. Pero todavía es razonable decir que la 2cm cuadrado es $4$ veces tan grande como el de 1cm cuadrado ... por que elegimos para hablar de área (o, en el más elegante palabras, "medida") en lugar de la cardinalidad. Y que con todo derecho.

En tu ejemplo, se tienen dos diferentes conjuntos de números naturales, $$ \{2,4,6,8,\ldots\} \quad\text{and}\quad \{3,6,9,12,\ldots\}$$ y cardinalidad dice que tienen el mismo tamaño. Y a veces el tipo de tamaño de cardinalidad habla es lo que usted necesita, y si ese es el caso de ir pensando en ellos como equivalente.

Para otros fines, aunque, usted puede necesitar para expresar la intuitiva hecho de que el primer conjunto contiene la mitad de la cantidad de números como el segundo. Que también está bien; sólo tenemos que encontrar algo más que la cardinalidad para hacer que la intuición precisa.

Para este propósito se puede utilizar la densidad de la limitación que Julian Rosen habla: Cuando tenemos un conjunto de números se puede pedir cuántos números son menos de $k$, para cualquier posible $k$ -- y entonces podemos también preguntar sobre la fracción de números de menos de $k$ que están en nuestra serie, es decir, la fracción $$ \frac{\text{count of numbers in the set less than }k}{k} $$ Ahora, en ambos casos, $\{2,4,6,8,\ldots\}$ $\{3,6,9,12,\ldots\}$ lo que ocurre es que hay un cierto número de $d$ tal que cuando se $k$ es grande, la fracción anterior siempre está cerca de $d$. (En términos técnicos, $d$ es llamado el "límite" de la fracción, y no hay una definición precisa de lo que queremos decir por que, pero no han aprendido que todavía en la escuela secundaria). En ese caso podemos llamar a $d$ la densidad de los números en el conjunto. La densidad de $\{2,4,6,8,\ldots\}$ $\{1,3,5,7,\ldots\}$ ambos $\frac12$, lo que confirma la intuición de que tienen el mismo tamaño. Pero la densidad de $\{3,6,9,12,\ldots\}$ solo $\frac13$, por lo que en el sentido de las densidades de hecho, existen menos los múltiplos de 3 que hay incluso (o impar) de los números.

Este concepto no resuelve todo, sin embargo. En primer lugar, hay conjuntos de números que ni siquiera tienen una densidad de acuerdo a esta definición, por ejemplo, el conjunto de los números que se escriben con un número impar de dígitos en base diez. En ese caso la fracción anterior mantiene tomar valores diferentes entre las $\frac1{11}$ $\frac{10}{11}$ $k$ aumenta, nunca se cierra en un solo límite.

Segundo, a veces nos gustaría comparar el tamaño de los conjuntos que tienen la misma densidad, por ejemplo, el conjunto de los cuadrados perfectos y el conjunto de los números primos ambos tienen la densidad de $0$, pero resulta que, en un sentido todavía hay "más" de los números primos que no son cuadrados perfectos. Es decir, el número de números primos menos de $k$ crece definitivamente más rápido que el número de cuadrados perfectos menos de $k$, cuando se ve como funciones de $k$. Esto también puede ser hecho precisa si ponemos suficiente trabajo en ella.

28voto

Dac0 Puntos 1191

He aquí la historia clásica:

el Hotel de Hilbert Paradoja.

Érase una vez en Hilbertland había un Hotel que era un infinito Hotel. En efecto el Señor de Hilbert, el propietario, le pide explícitamente para un número infinito de habitaciones, desde la reserva de la habitación durante la temporada alta fue realmente un gran problema en Hilbertland y era común no encontrar un lugar.

Entonces, ¿qué hizo el Señor Hilbert pensar? "También vamos a construir un Hotel que tiene un número infinito de habitaciones, una sala para cada número natural que existe, es decir 1,2,3,... de Esta manera yo no debería tener que preocuparse si algún invitado no hacer una reserva. Yo siempre debe de tener una vacante".

Pero lo que sucedió ese año fue que el turismo alcanzó su punto máximo y aunque el hotel era infinito durante el verano hubo una noche, cuando estaba lleno. Por supuesto, el Señor de Hilbert era feliz y pensando:"¿qué es una idea inteligente tenía que hacer un infinito Hotel..." y a punto de ir a dormir, cuando de repente un nuevo huésped, es decir, Mr LastMinute, llegaron.

"¡Oh, qué vergüenza! Mr Hilbert dijo:"pensé que la planificación para un infinito número de invitados sería suficiente! Pero en lugar de eso debería haber sido la planificación de infinito más 1!".

Mr Hilbert estaba a punto de dar con el conjunto de la industria hotelera, cuando tuvo una idea brillante. "¿Y si acabo de decirle a eevry uno para el interruptor de habitaciones con el uno a su izquierda para que el huésped en el número 1 va en la habitación número 2, el invitado en el número 2 en el número 3, y así sucesivamente? Entonces yo debería haber dejado la habitación número 1 para el nuevo huésped! Mr LastMinute usted no tendrá que ir lejos"

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Mr Hilbert pensó que ya era suficiente por la noche, pero cuando estaba a punto de ir a la cama, la vecina infinito hotel a la vuelta de la esquina (que también estaba lleno) de repente fue cerrada por razones de seguridad. Lo que pasó fue que una nueva infinidad de nuevo invitado (Invitado 1 de hotel 2, habitaciones 2 de hotel 2, habitaciones 3 de hotel 2, etc.) llegó a Mr Hilbert del Hotel.

Esta vez Hilbert no lo creo mucho y dijo:"No es un problema, no es un problema en absoluto. Solo voy a decir a mis invitados para cambiar de habitación y salir de la habitación a su izquierda libre para que los huéspedes del hotel pueden simplemente ir allí". Lo que pasó fue que el huésped en el número 1 Mr LastMinute se mantuvo en el número 1, el invitado en el número 2 fue en el número 3, el invitado en el número 3 fue en el número 5, el invitado en el número 4 fue en el número 7 y así sucesivamente.

"Y ahora, cada nuevo huésped puede tomar la misma habitación a la que había en el hotel anterior, sólo se debe multiplicar el número por dos, ya que estaban en el segundo hotel". Y por lo que el huésped 1 de hotel 2 entró en la habitación número 2, habitaciones 2 de hotel 2 entró en la habitación número 4, y así sucesivamente.

Así mismo el hotel podría alojar un número entero natural de la infinidad de huéspedes, tales como el doble de la misma.

26voto

par Puntos 5570

En matemáticas, que a menudo (pero no siempre) comparar el "tamaño" de dos colecciones $A$ $B$ mediante la asociación de los elementos entre ellos. Por ejemplo, si $A=\{1,3,5,\ldots\}$$B=\{2,4,6,\ldots\}$, se podría (como se señaló a sí mismo) realice la siguiente asociación: $$ \begin{array}{cccc} 1 & 3 & 5 & \cdots\\ \updownarrow & \updownarrow & \updownarrow\\ 2 & 4 & 6 & \cdots \end{array} $$ Puesto que cada elemento en $A$ está asociado a un elemento en $B$, podemos decir que $A$ $B$ tienen el mismo tamaño.

Si, por el contrario, como en el segundo ejemplo, $A=\{2,4,6,8,\ldots\}$$B=\{3,6,9,12,\ldots\}$, podríamos hacer la siguiente asociación: $$ \begin{array}{ccccc} 2 & 4 & 6 & 8 & \cdots\\ \updownarrow & \updownarrow & \updownarrow & \updownarrow\\ 3 & 6 & 9 & 12 & \cdots \end{array} $$ Una vez más, llegamos a la conclusión de que $A$ $B$ tienen el mismo tamaño.


Vamos a llamar a $\mathbb{N}=\{1,2,3,\ldots\}$ la colección de números naturales. Considere ahora la recogida de todas las fracciones positivas, denotado $\mathbb{Q}^+$. Esto incluye números como $1/2$ o $5/4$.

Puesto que todos los números naturales son fracciones (por ejemplo, $2$ puede ser escrito $2/1$), vemos de inmediato que $\mathbb{Q}^+$ es al menos tan grande como $\mathbb{N}$. Intuitivamente, podemos pensar que la $\mathbb{Q}^+$ es aún mayor que el de $\mathbb{N}$ en tamaño, después de todo, hay, sin duda debe ser más fracciones de números naturales! Sin embargo, esta intuición es incorrecto cuando se utiliza la definición de tamaño dado por asociaciones como la anterior.

Para ver por qué, considere la siguiente foto (hecha por Cronholm144):

Diagonalization argument

Comenzando en la parte superior izquierda ($1/1$) y siguiendo las flechas, se obtiene el siguiente asociación entre el$\mathbb{Q}$$\mathbb{N}$:

$$ \begin{array}{ccccc} \frac{1}{1} & \frac{2}{1} & \frac{1}{2} & \frac{1}{3} & \cdots\\ \updownarrow & \updownarrow & \updownarrow & \updownarrow\\ 1 & 2 & 3 & 4 & \cdots \end{array} $$

En mucho la misma manera, podemos demostrar que el conjunto de todas las fracciones (incluso negativos), denotado $\mathbb{Q}$, tiene el mismo tamaño que el de los números naturales. Vamos a registrar este hecho a continuación:

$\mathbb{N}$ $\mathbb{Q}$ tienen el mismo tamaño.


Tenga en cuenta que todas las colecciones que tenemos disussed hasta el momento tienen el mismo tamaño que el de los números naturales. Podemos decir que todos estos conjuntos son numerables. Sin embargo, como usted puede haber adivinado...

Hay colecciones que son no numerables.

Uno de esos colección es el número real de la línea, que se denota $\mathbb{R}$ y en la foto de abajo.

The real numbers

Esta colección incluye todos los números en $\mathbb{Q}$, y por lo tanto es al menos tan grande como $\mathbb{Q}$. Por otra parte, contiene los números que no se pueden escribir como fracciones (también conocido como irrationals), como $\sqrt{2}$ o $\pi$. La prueba de que $\mathbb{R}$ es de mayor tamaño que $\mathbb{N}$ es un poco implicado, pero me animo a volver a visitar en el futuro.

Para traer de regreso a tu pregunta original, ahora tenemos un ejemplo de una colección (es decir,$\mathbb{R}$) cuyos infinitos tamaño es estrictamente mayor que el de otra colección (por ejemplo, $\mathbb{Q}$ o $\mathbb{N}$). Por lo tanto, es posible comparar infinitos. Divertirse, y lo mejor de la suerte en tus estudios! :-)


P. S. ~ Ya que varias personas han señalado, esta no es la única forma válida de "tamaño" de una colección. Ver Henning Makholm la respuesta de una alternativa.

P. P. S. ~ Ver los comentarios de abajo para algunas buenas referencias.

10voto

Himanshi Puntos 11

Si contamos con un número grande $N$, aproximadamente la mitad de los números será aún (la proporción es exactamente la mitad de la si $N$ es incluso, un poco menos si $N$ es impar). Debido a esto, la gente dice que los números tienen la densidad de $\frac{1}{2}$. Los números impares tienen también la densidad de $\frac{1}{2}$, por lo que podríamos decir que hay tantos números pares como impares.

La densidad de los múltiplos de $3$$\frac{1}{3}$: si contamos con un número grande, sólo alrededor de un tercio de los números que son múltiplos de $3$. Podríamos decir que hay menos múltiplos de $3$ que son múltiplos de $2$, debido a que la densidad de los múltiplos de $3$ es menor.

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