Koch雪花不可能图形版

 
 
Sierpinski三角形不可能图形版

查看更多 »

    又回来更新啦！虽然还有两门课没考，但今天已经轻松了不少。梦魇般的现代文学史总算是结束了。抱了两天两夜的佛脚，结果考试时一看卷子，仍然没一道会的题目。不定项选择多选少选均不得分，都是些文学常识题，给四篇我从没见过的小说名字问哪些是第一人称叙事，或者给四个人名字问哪些是笔名之类的。天哪……以后的古代文学史咋办啊。
    先强烈推荐一本好书。前几天在TopLanguage看到有牛人推荐Proofs from THE BOOK这本书，当即决定买了下来。这几天复习累了我都在看这本书，真的是很好很强大，里面汇集了很多著名问题的经典证明，包括很多我一直想找但没找到的证明。好了不多废话了，下面进入正题。

    很早以前，我们曾经研究过质数，证明了质数有无穷多个。后来，我们又学到了另外两种证明质数无穷多的方法。这两种方法的基本思路相同：寻找一个无穷大的集合，里面的数两两互质。只用有限个质数明显不能得到无穷多个两两互质的数，于是我们立即可知质数必然有无穷多个。今天，我们将证明两个比质数无穷多更强的定理。这两个证明都出自Proofs from THE BOOK的第一章。

    定义函数π(x)为“小于等于x的质数有多少个”。无妨规定x为一个正整数。我们将用初等微积分方法证明当x趋于无穷时π(x)也趋于无穷并给出π(x)的一个下界。我们将说明，对于所有x，π(x)>=log(x)-1，即x以内的质数至少有log(x)-1个。
    为了说明这一点，让我们考虑所有不超过x的质数的倒数的等比级数(1 + 1/p + 1/p^2 + ..)的乘积，即。
    回忆等比级数的公式，则我们有：

    第二行的一些变换非常巧妙。第二行中间的不等号是一个关键，用到了一个基本事实：第k个质数显然比k大。最后的连乘中前一项的分子和后一项的分母正好抵消，最后消完了就只剩了一个π(x)+1。
    另一方面，想像一下把(1+1/2+1/4+...)(1+1/3+1/9+...)(1+1/5+1/25+...)...展开的样子，很显然展开后的每一项都是一个所有质因子都不大于x的数的倒数，即Σ(1/m)，其中m取所有仅含1..x范围内的质因子的数。显然，原本就比x小的数，其质因子当然不可能超过x，这就是说从1到x的所有正整数都是属于m的。利用一些微积分的基本知识，我们可以立即得出Σ(1/m) >= 1+1/2+1/3+...+1/x >= log(x)。地球人都知道，log(x)是没有上界的，于是质数的个数也没有上界。
    这里还有一个类似的问题，大家可以对照着看看。

查看更多 »

    明天考英语，单词还没背。先冒死更新一个^_^
    我们称一个从集合A到集合B的映射是“单射”的，如果A中的任两个相异元素都不会映射到B里的同一个元素。如果一个A→B的映射是单射的，并且B里的所有元素都被射了（满射），那么这个映射就是“双射”的。Cantor-Bernstein-Schroeder定理是说，假如存在一个从集合A到集合B的单射函数f，以及一个从集合B到集合A的单射函数g，那么A与B之间一定存在一个双射函数（即能建立起一一对应的关系，两个集合有相等的势）。这个结论并不是显然的。对于无穷集合，我们可以构造出很多这样的例子，两个映射A→B和B→A都是单射，但都不是满射的。例如，给定一个正方形和正方形外的一条直线，把正方形放到直线上滚一圈所形成的对应关系是一个从正方形上的所有点到直线上的点的一个单射函数，而连接直线上的点和正方形一边中点后与正方形的另一个交点构成了一个从直线到正方形的单射关系（如图）。那么，根据Cantor-Bernstein-Schroeder定理，我们一定可以找到一种函数，使得直线上的所有点和正方形上的所有点有一一对应的关系。

查看更多 »

    我们想要计算无穷级数Σ(1/n)*(-1)^(n+1) = 1 - 1/2 + 1/3 - 1/4 + 1/5 - 1/6 ...。首先我们需要说明，这个无穷级数是收敛的。注意到，从1的后面开始，每减去一个数后紧接着都会加上一个比它小的数，因此不管你加到哪儿，它的和始终不会超过1；另外，从1-1/2之后开始，每加一个数紧接着都会减去一个比它小的数，因此无论加到什么位置，整个和始终大于1/2。这说明，这个级数是收敛的，并且它收敛到1/2和1之间的某个数（事实上这个数是ln(2) ）。

    好了，令这个无穷级数为S，现在对S进行这样的变换：

S = 1 - 1/2 + 1/3 - 1/4 + 1/5 - 1/6 + ...
  = (1 + 1/3 + 1/5 + 1/7 + ...) - (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...)
  = (1 + 1/3 + 1/5 + 1/7 + ...) - (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...) + (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...) - (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...)
  = (1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ...) - 2 * (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...)
  = (1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ...) - (1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ...)
  = 0

    但刚才不是说了S是大于1/2的么？这怎么可能呢？

查看更多 »

    调和级数是指无穷级数1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ...，即取遍所有正整数n所得到的Σ1/n。虽然n趋于无穷时1/n趋于0，但这个无穷级数却是发散的。一个经典的证明是，把1/3和1/4都缩小到1/4，把1/5、1/6、1/7和1/8都缩小成1/8，把1/9到1/16这8个数全部缩小为1/16，以此类推，这样就可以得到无穷多个1/2，它们的和显然是无穷大的。
    现在，让我们把所有的质数划分为若干个子集，其中质数p属于编号为floor(p/1000)的那个子集（floor()是取下整的意思）。现在，你可以用这样的方式来定义一个“部分的”调和级数：先选出一些质数集合出来，然后列出所有这样的数，它所有的质因子都落在你选的集合里。显然，这样的数有无穷多个，它们的倒数和就形成了一个部分调和级数。例如，选择子集①和子集②，我们可以得到一个无穷级数Σ1/n，其中n取所有这样的数，它可以表示为大于等于1000小于3000的质数的乘积。
    前面我们已经看到，选择所有的集合所构成的无穷级数是发散的。现在的问题是，要想得到一个发散的级数，最少需要选取多少个集合？

查看更多 »

    无穷个囚犯面向数轴的正方向依次就座，第i个囚犯坐在数轴上坐标为i的地方，他可以看见所有坐标大于i的囚犯头顶上的帽子。看守给每个囚犯戴上黑色或白色的帽子，然后依次叫每个囚犯猜测自己头上的帽子颜色，猜对了的予以释放。另外一点和原来不同的是，囚犯们不能听到其他人的猜测。另外注意到，由于每个人前面都有无穷多个人，因此囚犯们无法通过数他前面的人数来判断出自己的位置，于是我们不得不加上一句：每个人都知道他后面有多少人（即他是第几个被问的）。同样地，事先所有囚犯可以商量出一个策略。你认为这下囚犯们还有什么好办法没？
    这下囚犯已经不能通过自己的猜测来通风报信了，似乎每个人都只能瞎猜，任何人都无法保证自己能猜对。你相信吗，居然有这样的策略，它可以保证除了有限个囚犯之外，其他囚犯全部释放！
    考虑所有可能的颜色序列（你可以简单地想像成01串）。我们说两个颜色序列“无穷远相等”，如果经过了有限多项之后，余下的无穷多项完全相同（即存在某个数x，使得两个串在各自的第x位后面完全重合）。这种关系显然满足自反性、对称性和传递性，是一种等价关系。因此，按照这种有限位后对应相等的关系，我们可以把所有可能的颜色序列划分为一个个等价类。它们的交集为空（两个等价类如果有交集，由传递性它们立即并成了一个更大的等价类），并集为全集（若某序列不属于任何等价类，则它自己就是一个新的等价类），是全集的一个划分。你能想象出一个等价类大致是什么样子的吗？假如把同一个等价类里的所有序列对齐并排放在一起，你从前往后走过去的时候会发现这些序列“越来越相像”。你走得越远，你会发现越来越多的序列开始变得互相重合；当你走到无穷远时，所有的序列都变成一个样了。
    囚犯们事先在每一个等价类中选一个代表元，然后把所有等价类的代表元背下来。到时候，每个人都能够看到他前面无穷多个人的帽子颜色，并且知道他自己在整个序列的位置，于是能立即判断出他们现在所处的颜色序列在哪个等价类里。接下来，他们只需要按照事先背好的代表元来猜就行了。由“无穷远相等”的定义，经过有限次猜测后最终这个代表元会和他们所处的序列重合，于是除了前面有限多个人以外，以后无穷多个人都可以保证猜对。

    你是否觉得这种“策略”很不合理，虽然从逻辑上看每一步推理都是无懈可击的？有人认为，这是选择公理带来的悖论。选择公理是说，给你一系列的集合（可能有无穷多个），那么我们总可以在每一个集合里取出一个元素来。这并不是显然正确的。你不可以依次考虑每个集合，从里面随便取出一个元素来，因为集合个数有可能无穷多个（甚至不可数），这样的操作将永无止境，不允许出现在数学推理过程中。我们需要定义一套系统，使得它对于给定的每一个集合都适用，这样我们就可以“一下子”处理完所有的集合。换句话说，对于一组数量任意多的集合，我们需要定义一个函数f，使得对其中任一集合S，f(S)为S里的一个元素。我们称函数f为选择函数。例如，给出自然数集的所有子集，选择函数f可以定义为“集合中的最小元素”；给出实数集的所有有限长的区间，则选择函数f可以定义为“区间的中点”。但对于某些情况，目前还没有办法用之前已有的公理系统定义出合适的选择函数。比如，目前仍然不清楚，对于实数集的所有非空子集是否存在一个选择函数。但选择函数的存在是很多数学推理的前提假设。因此，我们有必要承认选择公理，构成新的公理体系（即ZFC公理体系）。于是在今后的数学推理中，我们可以假设存在这样一个超级选择函数f，它就是专门用来干这破事的。承认选择公理有可能推出一些与生活经验背道而驰的结论，最著名的就是Banach-Tarski悖论：你可以把一个三维球体分成有限多块，然后拼接组合成两个和原来一样大的球体。上面所提到的100囚犯问题加强版则是选择公理带来的另一个悖论。

参考资料：http://cornellmath.wordpress.com/2007/09/13/the-axiom-of-choice-is-wrong （墙就是强）

  

图片来源：http://xkcd.com/381/
知道最妙的是什么吗？是那句HAHAHAH。因为字母H和A恰好都是左右对称的，而且后面多加了一个H使得这句话也变成了回文串。此外，那句!#^*!*也不是随便乱写的。

    刚才出去玩时与BY谈到了一个有趣的谬论，当时一下子想不起具体的内容了。网上找了找，在这里写一下。
    定义x的Tower of Powers为无穷多个“x的幂”，即x^x^x^... = x^(x^(x^...)) 。 如果它等于2，你能求出x的值吗？其实很简单，令这个Tower of Powers等于A，那么x^A=A，如果A=2的话，解出来x就应该等于√2。
    那么，如果已知x^x^x^... 等于4，你还能求出x的值吗？方法是一样的，令等式左边等于A，则x^A=A，当A等于4时，解出来x应该为√2。
    现在好玩了，等号左边都是x^x^x^... ，等号右边一个是2，一个是4，但解出来的x都是√2。那么，√2的Tower of Powers究竟等于多少呢？到底它等于2还是等于4？