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07 向无穷和更远出发(第5页)

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我们说a的任意邻域(neighbourhood)都包含有理数集的元素。

康托尔集拥有完全相反的性质——不属于C的数在数轴上可能从来不会遇上C里的数,前提条件是它们将视野限制于所在位置附近足够狭窄的区域。

想要看清这一点,取任一不在C中的数a,于是a的三进制展开式中至少有一个1:a=0.…1…,比如说第n位上的是1。

a附近有一个足够小的区间,其中的任意数b的三进制展开式有不止前n位与a的相同,那么所有这些数都不属于怪异的集合C,因为它们的三进制展开式也都包含至少一个1。

康托尔集的任何数a也并不会感到太孤独,因为当a观察数轴上任何包含它自己的区间J,不论多么小,a总能在身边的邻居中找到同在C里的元素(也有不在C中的数)。

我们可以让给定区间J里的一个数b同时属于C,只需规定b的三进制展开式拥有与a足够多相同的位数,但又不包含1。

实际上,J包含有不可数个C的成员。

总结一下,康托尔三分集C拥有可能有的最大数量的元素,当C的成员左右看去的时候,它们的兄弟姐妹在周围到处可见。

然而,对于不属于C的数,C就像不存在一样。

在它们的邻域内,看不到一个C中元素的身影,而集合C本身的测度也为0。

对它们来说,C几乎什么也不是。

丢番图方程

不过,当我们往反方向走时,产生了一条富有趣味的研究路线。

我们要求不仅方程的系数是整数,并且解也得是整数。

这里举一个经典的例子。

一个装着蜘蛛和甲虫的盒子里有46条腿,问两种生物各有多少只?这个小小的谜题可以用试错法轻松解决,但是仔细观察下面两点,我们可以学到些东西。

第一,它可以被一个方程来表示:6b+8s=46。

第二,我们只对这个方程的某些种类的解感兴趣,即甲虫(b)和蜘蛛(s)的数量都是整数的解。

一般来说,当我们只限定于搜寻特殊类型的解时,相应的方程组就被称作丢番图方程(Diophaion)。

通常情况下我们要找的是整数或是有理数解。

要求解本例中这样的线性丢番图方程,有一个简单的方法。

首先,将方程除以系数的最大公因数。

在这个例子中,系数是6和8,因此它们的最大公因数是2。

消去这个公因数2之后,我们得到一个等价的方程——也就是说一个有同样解的方程:3b+4s=23。

如果做完这次除法之后,右侧不再是整数,那就表明该方程没有整数解,我们可以就此罢手。

下一步骤是取系数当中的一个(通常用最小的那个,因为这样最简单),并将方程用它的倍数来表达。

这里最小的系数是3,我们的方程可以写成3b+3s+s=(3×7)+2。

整理后我们得到s=(3×7)-3b-3s+2。

这样做的目的在于揭示出s有3t+2这样的形式,这里t是某个整数。

将s=3t+2代入我们的方程,整理出b的表达式。

我们得到

3b+4(3t+2)=23→3b=15-12t→b=5-4t。

现在,我们有了丢番图方程完备的整数解:b=5-4t,s=3t+2。

t选择任意一个整数值都给出一组解,而所有整数解都具有这样的形式。

当然,我们的原始问题还有附加的限制条件,即b和s两者都大于等于0,因为不存在负数个蜘蛛或者甲虫。

因此,只有两种可行的t值:t=0或t=1。

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