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¿Cómo pueden los puntos que tienen longitud cero resultar en un segmento de línea con longitud finita?

Me han dicho que un segmento de línea es un conjunto de puntos. ¿Cómo puede incluso un número infinito de puntos, cada uno de longitud cero, puede hacer una línea de longitud positiva?

Editar: Como estudiante universitario asumí que se debía a que tenía incontables puntos. Pero el conjunto de Cantor tiene incontablemente muchos elementos y tiene medida $0$ .

Así que tener incontables puntos en una línea no es suficiente para que la medida sea positiva.

Mi pregunta era: ¿qué más se necesita? De las respuestas que he visto, parece que lo adicional necesario es la topología y/o el álgebra sigma dentro de la cual se establecen los puntos.

Mi agradecimiento a los que me han ayudado a averiguar dónde buscar respuestas completas a mi pregunta.

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Chappers Puntos 20774

Esto puede parecer algo extraño, pero no creo que sea útil pensar en las líneas como si estuvieran hechas de puntos: la "línea" de una línea es una propiedad inherente que los puntos no tienen, por lo que tiene algunas cualidades adicionales que los puntos no tienen, como la longitud.

Los números reales son básicamente la respuesta a la pregunta "¿Cómo puedo aumentar el conjunto de números racionales para no tener que preocuparme de si los límites que deberían existir realmente existen?", a partir de la cual se puede entonces hacer el cálculo. Uno puede sacar $ \sqrt {2}$ , $ \pi $ y así sucesivamente si uno lo desea como un ejemplo obvio de un punto en el que se necesita esto.

Tal vez una introducción más útil de los números reales es decir "Quiero saber cuán lejos estoy en esta línea". Luego dices "¿Estoy a mitad de camino?" "¿Estoy a un cuarto del camino?" "¿Estoy a 3/8 del camino?", y así sucesivamente. Esto te da una forma de producir expansiones binarias usando intervalos cerrados, y puedes entonces introducir la idea de hacer infinitamente muchas de estas preguntas (que obviamente serán necesarias, ya que $1/3$ tiene una expansión binaria infinita), y el objeto en el que la intersección infinita de la familia decreciente de intervalos cerrados con puntos finales racionales construidos al responder la secuencia de preguntas contiene precisamente un punto se llama los números reales. Por lo tanto, uno termina con los números reales como descripción de lugares en la línea, mientras que no es la línea en sí misma.

De hecho, la construcción de los números reales también te da algo de "linaje" como equipaje de la construcción: produces un topología que te dice sobre las ubicaciones que están cerca una de la otra. Esto le da a los números reales más "sustancia" que el simple hecho de estar ordenados y contener los racionales. Uno puede definir topologías en los racionales, pero la clave está en que los números reales estén completos en su construcción topológica. La integridad obliga a que haya "demasiados" números reales para ser cubiertos por conjuntos arbitrariamente pequeños. (Obviamente lo contable es demasiado pequeño ya que los racionales no funcionan, pero el conjunto de Cantor muestra que se pueden producir conjuntos incontables con "longitud" cero).

Un gran agujero en esto hasta ahora es lo que es realmente la "longitud". Para hacer las cosas de esta manera, uno se ve obligado a introducir una definición de la longitud de un intervalo racional $[p,q]$ que, por supuesto, debe ser $q-p$ . Puesto que en ese momento no nos preocupa que el intervalo esté realmente "lleno" de puntos, podemos simplemente introducir esto como un axioma de la teoría: todos nosotros en algún momento hemos poseído una regla y sabemos cómo funcionan con los números enteros y las fracciones pequeñas, y no es demasiado complicado estipular que se puede tener una regla con una subdivisión racional tan pequeña como sea necesario, sin tener que recurrir a la subdivisión infinita. (Lo cual es otro punto que vale la pena enfatizar: sin procesos infinitos, no hay necesidad de que los números reales in toto : uno puede simplemente introducir "suficientes" racionales para la precisión que uno requiere, y trabajar el módulo esta "longitud más pequeña".)

De esta manera, se empieza con "longitud" y se termina con "números reales", en lugar de tratar de ir por el otro lado, lo cual es teóricamente difícil y mentalmente agotador y contrario a la intuición (además de todas las cosas cantorianas).

12voto

A ese nivel, sólo se puede definir la longitud en términos de segmentos de línea, lo que no debería presentar un problema.

Para acercarse a la idea de "longitud" de un punto se podría utilizar la idea de probabilidad.

Podrías usar un ejemplo como este. Supongamos que elegimos al azar un número $x$ en el intervalo abierto $(0,1)$ .

  1. ¿Cuál es la probabilidad de que $x$ estará en el intervalo $ \left ( \frac {1}{2},1 \right )$ ?
  2. El intervalo $ \left ( \frac {1}{3}, \frac {2}{3} \right )$ ?
  3. ¿Cuál es la probabilidad de que $x$ será exactamente igual $ \sqrt [3]{ \frac {3}{ \pi }}$ ?

Entonces puedes relacionar la idea de "longitud" con la probabilidad.

10voto

Tú escribes: "Como estudiante universitario asumí que se debía a que tenía incontables puntos. Cuando aprendí sobre la teoría de la medida, me di cuenta de que esa no es la explicación".

Pero de hecho esto es de hecho la explicación. La medida de Lebesgue $ \lambda $ es countativamente aditivo (en ZFC) por lo que si $ \mathbb R$ donde el contable tendría de hecho $ \lambda ( \mathbb R)=0$ . Pero la aditividad contable no es generalizable a ninguna noción hipotética de aditividad incontable. Por lo tanto, no hay ninguna paradoja del tipo $ \lambda ( \mathbb R)=0$ se levanta.

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Hurkyl Puntos 57397

En otras partes de los comentarios, has sugerido que estás familiarizado con la topología. En estos términos Creo que puedo describir con más precisión cuál es el problema.

Considere la topología subespacial habitual en el intervalo $[0,1]$ de la línea real, y también la topología discreta en el mismo conjunto de puntos.

La noción de "una colección infinita de puntos" describe realmente este último espacio topológico. Es sólo considerando esos puntos en su lugar como la descripción de un subespacio de la línea real que obtenemos algo con cualidades de línea.

Si queremos considerar los puntos de forma aislada, también tenemos que recordar la estructura relevante (por ejemplo, topología, métrica o lo que sea) si queremos hablar de que los puntos tienen alguna cualidad de tipo lineal.

Así que eso es lo que está pasando - una línea no es hecho de puntos, y es la parte extra que los estudiantes están pasando por alto, como una métrica, la que hace que el conjunto se convierta en un segmento de línea de un centímetro de largo.

En cuanto a cómo explicar la diferencia a los estudiantes... es por eso que la gente está sugiriendo que hagas tu pregunta en http://matheducators.stackexchange.com !


Se podría tratar de encontrar una manera de explicar la diferencia entre la aditividad contable y la aditividad incontable de las medidas, pero espero firmemente que eso sería perder el punto. (también, las medidas olvidan casi todo sobre la geometría, así que tratar de usarlos para explicar cómo un conjunto de puntos puede ser como una línea es inútil)

4voto

kakridge Puntos 879

Tal vez usted cree un mapeo de la longitud de cada segmento al número de segmentos necesarios, a saber $n= (1 \ \mathrm {cm})/{ \ell }$ . Grafica esta función con $n$ en el eje vertical y $ \ell / \mathrm {cm}$ en el eje horizontal. Muéstrales que donde $ \ell = 0 \ \mathrm {cm}$ que es la "longitud" de un punto, está implícito / podemos concluir / con el fin de completarlo, declaramos / etc. que $n= \infty $ .

Creo que esto sería una maravillosa introducción a los límites. Creo que podría reforzar esta afirmación probando o demostrando que el gráfico es válido para todos los demás valores positivos de $n$ . Sé que esto me ayudó a pensar en el cálculo cuando estaba aprendiendo.

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