數學的世界浩瀚廣博，其中“無窮”的世界更是引人入勝。小孩子從學數數開始便會漸漸明白，數字的世界是無窮的，找不到盡頭。擁有無窮多房間的酒店是什么樣子？餅干罐里又藏著怎樣的“無窮”的奧秘？0和1這兩個簡單的數字之間還存在著無窮多的數字，那么這里的“無窮”和餅干罐里的“無窮”是一樣的嗎？“無窮”與“無窮”之間有大小之分嗎？

下面跟著小編一起通往神秘而壯美的“無窮”世界的旅程。

首先，我列出了一些關于無窮的基本觀點，比如：

無窮會永遠持續下去。

這是不是意味著無窮是一種時間、空間，或者長度呢？

無窮比最大的數字還要大。

無窮比我們能想到的任何巨大的事物都更大。

現在，無窮又有點兒像一種尺寸了。或者，它也許是一種更加抽象的事物——一個數字，我們可以用這個數字來測量時間、空間、長度、尺寸，甚至任何我們想要測量的事物。接下來，我們會將無窮當作一種數字做進一步的研究。

無窮加一，它還是無窮。

換言之，

∞?+ 1 = ∞

這看起來更像是關于無窮的基本原則。如果無窮是最大的事物的話，加上一并不會讓它變得更大——真的是如此嗎？如果我們在等式兩邊都減去無窮呢？如果我們用大家熟悉的消除法，在等式兩邊都消除無窮，那么等式就變成了：

1 = 0

這簡直是一個災難。一定有什么地方出錯了。而下面的說法會導致更多的錯誤結果。

無窮加無窮，它還是無窮。

這看起來好像是說，

∞?+ ∞ = ∞

也就是說，

2∞ = ∞

現在，如果我們將兩邊都除以無窮的話，那么等式就變成了：

2 = 1

這成了另外一個災難。現在，你幾乎能猜到我們在思考最后一個觀點的時候會發生什么。

無窮乘以無窮，它依舊是無窮。

如果我們把這句話寫成一個等式的話，就是：

∞?× ∞ = ∞

如果我們在等式兩邊都除以無窮的話，就相當于在等式兩邊各去掉一個無窮。等式就變成了：

∞?= 1

這可能是所有結果中錯得最離譜的一個。無窮代表著最大的事物，肯定不會是1 這么小。

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到底是什么地方錯了呢？問題就在于，我們像處理一個尋常的數字那樣處理無窮，而我們并不知道是不是能這樣處理它。首先我們需要了解的是無窮不是什么。我們會發現無窮肯定不是一個尋常的數字，繼而漸漸了解無窮可以是什么。這個旅程花費了數學家幾千年的時間，其中牽涉數學領域的很多重大的發展，集合論和微積分就是其中很好的例證。

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上面的故事的關鍵在于，雖然無窮的概念很好建立，但是我們必須非常小心地處理它，否則就會發生相當奇怪的后果。而這些都僅僅是開胃小菜。我們接下來會看見各種各樣的伴隨無窮發生的奇怪的事物，比如事物的無窮集合、有無窮個房間的旅館、無窮雙襪子、無窮?條路徑、無窮多的點心。其中一些奇怪的發現就像“1 = 0”一樣，不僅僅奇怪，而且讓人不滿意。所以我們需要自己構建數學模型來避免這些情況。但是，也有其他一些奇怪的事物并不違背邏輯，它們僅僅是違背常理。這些奇怪的事物并不會給我們的邏輯帶來問題，卻會挑戰我們的想象力和思維方式，就好像科幻小說作家所塑造的那些擁有無窮生命、永生不老的人，或者擁有無窮的速度，能夠瞬間移動的人一樣。

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擁有無窮多房間的旅館

當我們開始教孩子們數字的時候，我們總會給他們一些實物幫助他們思考，或者我們會在他們吃一些可計數的食物時，教他們怎么計數，又或者，我們會教他們數自己吃了幾勺子食物。

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如果我們想要一勺一勺地數，一直數到無窮的話，那得花費非常多的時間。事實上，我們下面要介紹的幾個例子確實有一點兒從一一直數到無窮的意味在里面。但是在做這些事情之前，我們還是先看一個已經是無窮的例子——一個擁有無窮多房間的旅館。?想象一下，一個旅館里面有無窮多個房間，房間的編號是1、2、 3、4……直到無窮（見圖 2–1）。

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現在假設你是這個旅館的經理。你面對的情況是每個房間都住了客人，而你正沉醉在你所賺到的錢里面。這個時候，另外一個客人走了進來，要求開一個房間。一方面，旅館已經住滿了。另一方面，如果你能讓每一個客人都往后挪一個房間的話……

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這個有無窮多個房間的旅館被稱作希爾伯特旅館。德國著名數學家戴維·希爾伯特使用這個栩栩如生的例子來描繪你開始思考無窮時可能遇到的問題。一個正常的旅館只會有有限的房間，住滿了就是住滿了。面對下一個客人，你根本就沒辦法安排，除非搭一個臨時建筑。然而，在一個擁有無窮多個房間的旅館中，你可以讓?1 號房間的客人搬到2 號房間，讓2 號房間的客人搬到3 號房間，讓3 號房間的客人搬到4 號房間，以此類推，我們總是能讓n 號房間的客人搬到 n + 1 號房間。因為我們有無窮多個房間，每一個n 都有一個對應的 n + 1，所以每一個客人都有一個對應的新房間。這么做的話，1 號房間就空出來了，新的客人就可以入住了（見圖 2–2）。

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這看起來是一個悖論，但是論證過程并沒有漏洞。唯一的問題就是這個結論與人們的直覺不相符。我們怎么能在已經完全住滿的旅館里再安排下一個客人呢？這和我們的直覺相悖的唯一原因就是我們太習慣于有限的旅館了。當我們嚴肅地思考無窮，而不是模糊地想象無窮的時候，我們必須準備接受一些可能會顯得有點兒奇怪的事物，甚至是看起來非常奇怪的事物。這也正是無窮的美妙之處。

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我們想要做的是把“無窮”這個概念融入普通的數學中，而不改變其余的邏輯。就像科幻小說中永生不老的往往只有一個人，其他所有人都是有生老病死的普通人一樣。一些奇怪的事情可能會發生，但是我們并不想因此而毀掉關于這個世界的一些基本事實。言下之意就?是，我們并不希望因為將無窮和數學交織起來研究而發生“1 = 0”這樣的事情。但是也許仍會有一些奇怪的新事物出現，就像這個擁有無窮多房間的旅館一樣。

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希爾伯特旅館并不會挑戰現有的數學邏輯，它挑戰的僅僅是我們關于旅館的直覺。這個例子開拓了我們的眼界，讓我們意識到，在無窮的情況下可能會發生的奇怪逸事。

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如果來了更多的客人呢？

如果來了第二位客人呢？很簡單，我們可以讓每個客人都多往后挪一個房間。現在，原來住在1 號房間的客人搬到了3 號房間，原 來住在2 號房間的客人搬到了4 號房間，原來住在n 號房間的客人 搬到了n + 2 號房間。這就是數學的世界，我們不需要考慮搬房間所帶來的麻煩，我們只要開開心心地知道每個客人都有房間住就好了。

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如果這兩位客人同時到達，我們可以從一開始就讓所有的客人都往后挪兩個房間。當然，如果是三位客人同時到達的話，我們可以讓每個人都往后挪三個房間。以此類推，只要是有限數量的客人同時到?達，我們都可以用這種辦法安排（見圖2–3）。

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如果有無窮多的客人同時到達怎么辦？我們不能讓每個客人都往后挪無窮個房間。雖然這個方案聽起來好像有點兒道理，因為我們有無窮多個房間。但是讓我們考慮一下某位特定客人的具體情況，比如1 號房間的客人。這位客人要搬到哪個房間去呢？“1 + ∞”號房間？這肯定不行，因為這就不是一個房間號。我們確實有無窮多?個房間，但是每個房間還是有一個有限的房間號的。所以并不存在“1 + ∞”號房間，讓1 號房間的客人搬到“1 + ∞”號房間就等于這位客人還是沒有地方可以去。如果我們不能告訴客人們他們應該搬到哪個房間去的話，那么我們就卡住了。

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所以我們不得不表現得更加聰明一點兒。（處理數學問題經常需要我們更加聰明，這也是數學看起來很難的一個原因。）我們可以讓每個客人都去房間號是原來房間號兩倍的房間。這樣，1 號房間的客人就去了2 號房間，2 號房間的客人就去了4 號房間，n 號房間的客人就去了2n 號房間。（見圖2–4）這樣就空出來無窮多個房間。我們怎么會知道這樣能行呢？我們知道本來已經入住的客人都已經搬到雙倍房間號的房間了，所以他們現在全都住在偶數號的房間里。換言之，所有奇數號的房間都已經空出來了，而這樣的房間有無窮多個。

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事實上，我們可以寫一個指導手冊來告訴每位客人在不同的情況下他們接下來的房間號是什么。但是這個單子將會非常長，完成它花費的時間也會非常多。所以一個簡便的辦法就是我們可以寫一個公式。使用公式的好處就是可以避免花費過多的精力寫一個過長的清單。下面就是這個指導手冊的簡化版：?

??原來就已經在店里入住的客人：如果你住在n 號房間， 請搬到 2n 號房間。?

??新來的客人：如果你是第n號客人，請入住2n – 1號房間。

現在，每個人都知道自己的房間號了。我們可以再檢查一下，保證不會出現兩個人被分配到同樣的房間的情況，除非客人在計算的時候出現了問題。

你可能會注意到，這種情況只有在新來的客人已經排了隊的情況下才能成為現實。否則，不守規矩的客人就會扭作一團，上演數學版的房間爭奪大戰。新來的客人必須按照編號順序排隊才能到達他們被分配的房間。因為現在情況變得復雜了，所以我們之后將會花點兒時間討論一下隊列的問題。

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如果旅館不止一層呢？

現在讓我們假設我們的旅館有兩層，每一層都有無窮多個房間（見?圖2–5）。 1樓有房間1、2、3、4……，2樓也有房間1、2、3、4……（更 常見的編號方式是 1 樓有房間 101、102、103、104……，2 樓有房間 201、202、203、204……，但是現在我們先不考慮這個問題）。

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如果這個旅館起火了呢？現在，我們需要把所有的客人都轉移到馬路對面的只有一層的希爾伯特旅館（這個旅館剛好完全是空的）。?這也不是什么難題。我們可以讓原本住在1 樓的客人把自己的房間號乘以二然后減去一，這樣這些客人就分別去了1 號房間、3 號房間、 5 號房間、7 號房間……，就像上一個例子中講的新到的客人一樣。 接下來，我們會讓原本住在2 樓的客人都把自己原本的房間號乘以二，就像上一個例子里面原本就已經在店里入住了的客人一樣。這些客人會住進2 號房間、 4 號房間、 6 號房間、 8 號房間……（見圖 2–6）。

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從某種程度上講，我們已經把“無窮×2”位客人裝進了“無窮”個房間里。從數學上看，這和把新到達的無窮個客人安排進已經住滿了的無窮多個房間的旅館是一樣的。

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這個原則也可以應用到起了火的三層希爾伯特旅館。唯一的不同?就是，這次我們需要把“無窮×3”位客人安排進“無窮”個房間。 所以我們需要把原本的房間號乘以三（見圖2–7）。

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??原本住在1 樓的客人需要把自己的房間號乘以三，然后減 去二。那么他們就會住到1 號房間、4 號房間、7 號房間、10 號房間……?

??原本住在2 樓的客人需要把自己的房間號乘以三，然后減 去一。那么他們就會住到2 號房間、5 號房間、8 號房間、11 號房間……?

??原本住在3 樓的客人需要把自己的房間號乘以三。那么他 們就會住到 3 號房間、6 號房間、9 號房間、12 號房間……

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你可以想象一下，所有的客人按照他們原本的樓層排成了3 列長隊。然后你按照他們排隊的次序安排房間，依次安排每個隊伍的第一個人入住新房間。這里，你必須注意留好同一層客人入住房間的號碼間隔，稍有不慎，你就沒有足夠的房間安排所有人了。

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像前面說的一樣，我們可以為此寫一個指導手冊。正確的寫作方式應該是下面這樣的：

??原本住在1 樓的客人：如果你的房間號是n，那么請搬 到 3n – 2 號房間。?

??原本住在2 樓的客人：如果你的房間號是n，那么請搬 到 3n – 1 號房間。?

??原本住在3 樓的客人：如果你的房間號是n，那么請搬到 3n 號房間。?

如果我們先安排所有原本住在1 樓的客人的話，我們就會說：?

??原本住在1樓的客人：如果你的房間號是n，那么請搬到?n 號房間。?

但是這樣一來，我們是不是就沒有房間安排原本住在2 樓 和 3 樓的客人了？?

是的，已經沒有了。因為每一個房間n 都已經被原本住在 1 樓 n 號房間的客人占據了。這就是為什么我們要么得按照樓 層順序輪換安排客人，要么得在安排 1 樓的客人的時候給 2 樓 和 3 樓的客人預留下房間，而不能先把 1 樓的客人按照原本的房間號安排進旅館。

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我希望你能夠按照這個邏輯處理更多樓層的情況（見圖?2–8）。

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但是如果有無窮層樓呢？現在，我們把希爾伯特旅館想象成一座?摩天大樓，樓層有第1層、第 2層、第 3層、第 4層……，每個樓層 都有1號房間、2號房間、3 號房間、4 號房間……。我們可以把這個建筑想象成“無窮乘以無窮”（見圖?2–9）。

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如果這一回是這座摩天大樓起火，我們是不是就無計可施了呢？我們能不能把這棟摩天大樓里的客人轉移到只有一層的希爾伯特旅館呢？也許在現在的情況下，只有一層的希爾伯特旅館看起來已經成了一個相當普通的概念。當我們一次又一次地鍛煉我們的頭腦的時候，就會出現這樣的情況：原本非常令人詫異的事情變成了普普通通的事情。這標志著我們已經更加聰明了。

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回到正題，你可能覺得這次的情況有點兒無望了，因為我們不能讓每一個人都“把自己的房間號乘以無窮”，然后再減去點兒什么東西。我們也不能依次安排每一列樓層隊列的第一個人了，因為如果我們這樣做，就會發生下面的情況：

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??原本住在1 樓 1 號房間的客人搬到 1 號房間

??原本住在2 樓 1 號房間的客人搬到 2 號房間?

??原本住在3 樓 1 號房間的客人搬到 3 號房間?

???

??原本住在n 樓 1 號房間的客人搬到 n 號房間?

??

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把每個樓層1號房間的人安排完之后，一層的希爾伯特旅館就客滿 了。因為每一個n號房間都已經被原本住在n樓1號房間的客人占據了。

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然而，我們并非完全沒有辦法。我們需要變得更聰明一點兒。問題的關鍵還是讓大家排起隊來。但是，這次我們讓所有的客人按照對?角線的方式排隊（見圖2–10）。

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如果我們從左下角開始，按照對角線的方式排隊，我們還是能夠把每一個客人都安排到新的房間。這次的安排方式無法像前幾次那樣?用一個簡單的公式總結，我們用一個圖形來表示（見圖2–11）。

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一個指導每位客人應該去哪個房間的指導手冊的文字描述?需要像下面這樣寫：原本住在k樓n房間的客人搬到……房間。你可能可以根據上面的圖總結出一個公式來，但是我覺得在這次的情況下，用圖來表示會更加清晰一些。

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順帶一提，我們關于希爾伯特旅館的討論包含了下面這個奇怪的事實：偶數的個數和所有數字的個數一樣多。因為當你讓每一位客人都把自己的房間號乘以2 的時候，你就用偶數房間號的房間安排下了所有的客人。而我們將一整層的客人安排到奇數房間號的房間的事實也說明奇數的個數和所有數字的個數一樣多。按照這個邏輯，如果我們有無窮多的錢的話，我們能表現得極為博愛——我們可以把無窮多的錢捐給慈善機構而自己仍然剩下無窮多的錢。我們需要做的就是把銀行里的每一塊錢中的偶數號捐給慈善機構，自己留下奇數號。但是這顯然不太現實，因為銀行里的錢并沒有編號，有的只是一個總數。但是我們可以轉一塊錢到慈善賬戶，再轉一塊錢到自己的個人賬戶，然后再轉一塊錢到慈善賬戶，再轉一塊錢到自己的個人賬戶。這做起來有點兒慢。所以你也可以一次轉一億元到慈善賬戶，再轉一億元到自己的個人賬戶，以此類推。但是，你需要一直不停地這么做下去。

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受到成功完成這個幾乎不可能完成的任務的鼓舞，你可能會覺得你現在可以把任何旅館的全部客人轉移到僅有一層無窮多房間的希爾伯特旅館里了。然而，事實并非如此。如果你有另外一個更加瘋狂的旅館，旅館的房間編號包括所有的有理數和所有的無理數（“你好，?我在π 房間”），那么我們可能就真的被打敗了。所以，事情的關鍵 在于“可數性”。?

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無窮令人著迷的一點就是你總會在無意間撞見這個概念，而且總會無意間撞見圍繞著這個概念發生的神奇的事情，但是要搞清楚這些事情背后的原因則非常困難。我們現在知道，一個有無窮多的房間的旅館和“常規”的旅館非常不一樣。我們還知道，我們不能像處理“常規”的等式那樣處理涉及無窮的等式。看起來，無窮好像不是一個“常規”的數字，那么它到底是什么？數字看起來是數學的基石，但是數字到底是什么？有很多的道理我們認為是理所當然的，但是我們從來沒有思考過它們的本質是什么，數字就是其中之一。如果我們想要宣稱無窮不是一個數字的話，我們最好先搞清楚數字是什么。你可能會很詫異地發現數學家竟然花了如此長的時間來搞懂數字的本質。人類雖然并不清楚數字是什么，卻還是毫無障礙地使用了它上千年的時間，你可能也是如此。有鑒于此，你可能會覺得弄清楚數字的本質是一件毫無意義的事情。那么，難道說數學家在做這件事情的時候是非理性的嗎？

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事情是這樣的。常規的整數是不難理解的。即便你將常規的數字擴展到負數和分數的領域，也不是什么大問題。問題出現在分數與分數之間這個領域，也就是無理數，此時事情就開始變得難以捉摸起來。不明白整數是什么不是什么大問題，但是不明白無理數是什么就成了問題。在移除這個障礙的過程中，微積分出現了，而微積分極大提升了過去兩個世紀里科學、醫藥學和工程學領域的精確度和人們對其的理解。而為了更好地理解這些無理數，我們需要更好地理解所有的數字，包括最基本的數字。我們需要將地基打好，如此才能在其上構建堅固的建筑。如果地基不穩，那么除了回頭去重新打好基礎之外，我們別無他法。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的希尔伯特旅馆实验（文末送书）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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