超現實數

超現實數,即超實數(surreal numbers),是一個包含實數以及無窮大和無窮小數的域,它們的絕對值分別大於和小於任何正實數。把構造限制於Grothendieck宇宙,可以得到一個集合而不是一個類,這樣就有一個有強不可及基數的真正的域。

簡介

在數學上,超現實數系統是一種連續統,其中含有實數以及無窮量,即無窮大(小)量,其絕對值大(小)於任何正實數。超現實數與實數有許多共同性質,包括其全序關係“≤”以及通常的算術運算(加減乘除);也因此,它們構成了有序域。在嚴格的集合論意義下,超現實數是可能出現的有序域中最大的;其他的有序域,如有理數域、實數域、有理函式域、列維-奇維塔域(Levi-Civitafield)、上超實數域和超實數域等,全都是超現實數域的子域。超現實數域也包含可達到的、在集合論里構造過的所有超限序數。

來源

超現實數是由約翰·何頓·康威(JohnHortonConway)所定義和構造的。這個名稱早在1974年便已由高德納(DonaldKnuth)在他的書《超現實數》中就被引進了。《超現實數》是一部中短篇數學小說,而值得一提的是,這種把新的數學概念在一部小說中提出來的情形是非常少有的。在這部由對話體寫成的著作里,唐納德造了“surrealnumber”一詞,用來指稱康威起初只叫做“number”(數)的這個新概念。康威樂於採用新的名稱,後來在他1976年的著作《論數字與博弈》(OnNumbersandGames)中就描述了超現實數的概念並使用它來進行了一些博弈分析。

闡釋

超實數的定義和構造歸功於JohnConway,這顯示了Conway的有特色的才智和首創性。它們在DonaldKnuth1974年的書SurrealNumbers:HowTwoEx-StudentsTurnedontoPureMathematicsandFoundTotalHappiness(超實數:兩個以前的學生如何喜歡上純數學並發現完全的幸福中有介紹。該書是一本數學小說,作為少見的新數學思想在小說中初次出現的一例而著稱。該書採用對話形式,在他的書中,Knuth創造了超實數一詞,Conway起先直接稱為數。Conway喜歡這個新名字,後來自己也採用了這個詞。然後Conway在他1976年的書關於數和博弈(OnNumbersandGames)中描述超實數並將之用於分析博弈。

康韋說:“假定有兩條規則,他們產生一切大小的數。第一條規則應是:每個數對應於先前創造的數所構成的兩個集,使得左集的元中沒有一個大於或等於右集的任意元。而第二條規則應是:一個數小於或等於另一個數,若且唯若第一個數的左集沒有任何元大於或等於第二個數,而第二個數的右集沒有任何元小於或等於第一個數。”康韋還檢驗了它所制定的這兩條規則,你瞧!它們很好。

根據這種方法,可以給出1和-1:

1=﹛øl0﹜-1=﹛0lø﹜

正數N:﹛Nlø﹜=N+1

而對於負數,則有:-N—1=﹛øl-N﹜

對於無窮大,則有:inf=﹛0,1,2,3,…lø﹜,接著把inf放入右邊的位置,於是我們得到無窮大減去一的一個獨特定義:一個小於無窮大的無限數!inf—1=﹛0,1,2,3,…linf﹜

還有:1/inf=﹛0l1/2,1/4,1/8,1/16,…﹜這些獨特的量中的無論哪個,以前的數學家都未曾定義過。

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