一条线段和一个正方形中的点哪个多?

在数学当中,任何直线或者线段上点的势,与任何平面上点的势相同,可以看成直线和平面上的点一样多,甚至与立体图形中的点也是一样多。我们可以建立一个函数把直线和平面的点一一对应起来,这样的函数叫做皮亚诺函数,其曲线叫做皮亚诺曲线或者希尔伯特曲线。

集合的势

在现代集合论当中,用“势”来描述一个集合规模的大小,对于有限集合,集合的元素个数就是该集合的势,比如集合{e,π,i,0,1}的势就是5;对于无限集合,我们需要用射映的方法来确定集合的势。

在中学时,我们认为所有的无穷大都是一样的,无法对无穷大进行比较;实际上,当我们涉及更深的集合论时,会发现无穷大也是存在等级的,首先发现无穷大存在等级的是十九世纪的德国数学家康托尔,他创立了超穷数理论。

假设有A、B两个集合,这两个集合中的元素可以实现一一映射,那么我们就认为两个集合的势相等;如果A可以映射到B中的部分元素,但是B中的元素无法全部映射到A,则称B的势大于A的势,或者说B的元素比A多)。

比如:

自然数集合为{0,1,2,3……}

非负偶数集合为{0,2,4,6……}

虽然非负偶数的元素是自然数中的一部分,但是两者之间可以实现一一映射(0→0,1→2,2→4,3→6……),所以自然数和非负偶数的个数是相等的。

利用康托尔提出的对角线法则,我们还可以证明自然数集合与有理数集合的个数也相等;但是我们无法把自然数和无理数一一映射起来,说明无理数的势要大于自然数的势。

直线中点的势

一条直线或者线段中的点组成一个集合,我们很容易证明两端无限延长的直线,与任意长度线段的点一样多,比如利用函数y=tan[(x/a-1/2)π],可以把长度为a的线段(不含两端点)与无限长直线中的点一一映射起来,加上两个端点的线段势不变。

我们也可以建立一个函数,把线段和平面的势一一对应起来,以边长为1的正方形,长度为1的线段为例,最简单的做法,就是把正方形上的点坐标写作(0.abcd...,0.xyzw...),然后映射到线段上的点坐标0.axbyczdw…。

我们很容易证明,任意大小正方形点的势都是相等的,所以无论你的线段有多长,与任何平面点的个数都是相等的。

希尔伯特曲线

希尔伯特曲线是指定义域在[0,1]的函数,其函数曲线遍历单位正方形中的所有点;这样的函数最早由意大利数学家皮亚诺作出,该函数把直线上的点和平面上的点一一映射起来。

进一步扩展后,我们可以得到结论:直线和平面上的点一样多,甚至还等于立体空间中点的数量。