2008年10月16日 星期四

0.999... = 1?

  很多人應該在不少科普叢書或網上討論區見過「0.999\cdots = 1?」這問題。我們只需簡單的極限概念(甚至幾何級數和的概念),便知道這答案是肯定的,0.999\cdots 等於 1。可是每當有人在討論區提出這問題時,答案總是似是而非,甚至出現很多不同的悖證。我不打算在這裏再證明一次這道命題,但卻想簡單闡釋以前見過的常見謬誤。

謬誤一:

  \color{red}0.999\cdots 和 1 這兩個數的寫法不相同,它們怎可能一樣?

解釋:

  我們先說明甚麼是小數。如果我們以小數形式寫成某實數 r 時,其表達式為 d_0.d_1d_2d_3\cdots,我們表示 r=\displaystyle{\sum_{n=0}^\infty\frac{d_n}{10^n}=d_0+\frac{d_1}{10}+\frac{d_2}{10^2}+\frac{d_3}{10^3}+\cdots,其中 d_0 是整數部分,而 d_n 是第 n 個小數位。這是一個無窮項的和,因此我們求這個和時其實正在求某數列的極限。這個數列是 d_0d_0.d_1d_0.d_1d_2d_0.d_1d_2d_3、……。例如,我們指 \dfrac{1}{3} = 0.333\cdots 時,其實指 \dfrac{1}{3}00.30.330.333、……這數列的極限。

  在這個定義裏,我們沒特別指明表示法是唯一的。換句話說,我們沒指出實數 r 不可以擁有兩種表達式 d_0.d_1d_2d_3\cdotse_0.e_1e_2e_3\cdots。這就好像兩個分數式 \dfrac{1}{3}\dfrac{2}{6} 的值相同一樣。既然如此,為甚麼 0.999\cdots 不可以和 1 相同?

謬誤二:

  我們不會將小數寫成以無窮個 9 結尾,因此 \color{red}0.999\cdots 這寫法根本不成立。

解釋:

  如果你接受 \dfrac(1}{3} = 0.333\cdots 可以以無窮個 3 結尾,為甚麼無窮個 9 不可以?平日人們不會將 1 寫成 \color{blue}0.999\cdots,並不代表不可以這樣寫。 

謬誤三:

  \color{red}0.999\cdots 的整數部分明明是 0,而 1 的整數部分是 1,為何它們會相同?

解釋:

  請參看謬誤一。同一個實數可以擁有超過一種表示法。

謬誤四:

  \color{red}0.999\cdots 只是非常接近 1,但不相同。

解釋:

  請參看謬誤一。無窮小數的表達式是數列的極限。籠統地說,若一個數列 x_1x_2x_3、……的極限是 L,則我們指當 n 愈來愈大時,x_n 愈來愈接近 L。(當然這說法有點瑕疪,但極限的定義本來就依賴這想法而來。我們不在此深究這句子和極限的定義的分別。)以 \frac{1}{3} 為例,因為 00.30.330.333……這數列漸漸趨近 \frac{1}{3},所以我們說 \frac{1}{3} = 0.333\cdots我們指的是數列的極限是 \color{blue}\frac{1}{3},而並非數列當中任何一項是 \color{blue}\frac{1}{3}如果你接受 \dfrac{1}{3} = 0.333\cdots,為何不接受 0.999\cdots = 1?

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