关于这个问题,数学家还没达成一致意见环球科学
课堂、讲座,甚至是网络论坛上,关于0.999…是否等于1的讨论从未停休。无论是中高学教师、大学讲师,还是精通数学的网友都曾一次次肯定地重复:它确实等于1。
图片来源:Unsplash
为此,人们提出了各种解释和证明,其中一些颇有说服力。不过正如广泛调查和你的身边统计学所显示的那样,许多人仍然拒绝相信这件事。
那我们不妨仔细讨论一下。首先,我们需要想一想,我们是如何表示数字的。在学校里,我们学会了几种表示数字的方式。最初是掰着手指数数,后来则是学会了正式的数学符号。我们学会把有理数表示成分数或小数,也知道有些分数的小数表示是无限延伸的,比如1/3。需要注意的是,在这些例子中,小数点后的数字是有一定规律的:它们会从某一位开始重复,例如1/7=0.142857142857…。
与此同时,π或√2这样的无理数也有无限多位小数,但没有这样的周期性规律,而且不能表示为分数。因此,若要精确表示这些数,人们通常会选择一个符号,因为小数记法只能表示他们的一个近似数值。
图片来源:Unsplash
那么,我们又该如何理解0.999…呢?一些专家认为,可以先从这样一个事实出发:有理数1/3对应的小数是0.33…,如果把它乘3,就得到了0.999…。再进一步推理,既然1/3×3=1,那么这就证明1等于0.999…。
还有其他一些证明也能说明0.999…等于1。例如,如果我们先把这个循环小数写成小数点后第n位为止的形式:9×1/10+9×1/100+9×1/1000+…+9×1/10ⁿ。现在,就可以把0.9提出来,因为每一项都包含这个因子。
这样就会得到:0.9×(1+1/10+1/10²+…+1/10ⁿ0-¹)。你还可以把0.9改写为1-1/10,让这个式子变得更好看:(1-1/10)×(1+1/10+1/10²+…+1/10ⁿ-¹)。
这其实就是所谓的几何级数。在几百年前,数学家就已经知道该如何求解。对于我们看到的这个例子,结果等于1−1/10ⁿ。而0.9999…9(一直写到小数点后第n位)对应的正是1-0.0000…1,其中1出现在小数点后第n位。现在,如果我们考虑完整的无限小数0.999…,那么n就趋近于无穷大,在这种情况下,1/10ⁿ这一项无限趋近于0。0.999…与1之间的差距,被推到了无穷远处。
这只是众多证明的例子之一。类似的,你也会发现0.8999…=0.9;0.7999…=0.8,依此类推。即使我们改变了数制,这些规律仍然成立。比如,如果改用只由0和1构成的二进制,同样的答案也会出现:0.111…(对应于十进制下的1×1/2+1×1/4+1×1/8+…)等于1。
图片来源:Unsplash
所以,在这场讨论中,似乎已经出现了一个明确的赢家:支持0.999…=1的一方。但先别急,数学当然是一门可以通过精确推导,几乎不留下解释空间的学科。但即使如此,人们仍然可以提出异议:从基本前提出发。
例如,我们完全可以直接规定,按照定义,0.999…小于1。从数学上来说,这样的提议是允许的——但只要仔细思考,我们就会发现,这会带来一些不同寻常的后果。
例如,通常情况下,如果你在数轴上随意选出两个数,那么它们之间总还有无穷多个数:只要先求这两个数的平均值,再求这个平均值和其中一个数的平均值,然后不断重复进行下去就可以。
但如果我们假定0.999…小于1,但这两个值之间再也没有其他数了,你等于在数轴上找到了一处空隙。而这道空隙就意味着,计算可能会变得很奇怪。因为在这个体系中,1/3+2/3=1仍然成立,所以相应的,0.333…+0.666…=1.只要进行加法运算,如果结果落入0.999…和1之间那个奇怪的空隙,就必须向上取整,乘法也需要这样向上取整,于是0.999…×1=1。这意味着,数学中的一条基本规则——任何数乘1都等于它本身——将不再成立。
当然,还有其他方法可以解决这个争论。比如,你可以进入非标准分析的领域,这一理论允许无穷小——也就是比任何实数都更接近0的值——存在。
在这一理论框架下,如果1和0.999…之间相差一个无穷小,就可以把它们区分开来。而且,这样做不会导致矛盾(至少不会比传统微积分带来更多矛盾)。不过,这套体系相当复杂,因此大多数数学家并不认为它是真正的替代方案。
所以,是的,关于0.999…是否等于1,争论仍然存在。一方面,在我们大多数人熟悉的数和计算规则中,这个等式毫无疑问是成立的。另一方面,你也可以探索其他版本的数学世界,从而得到不同的答案——前提是,你也愿意接受那些奇特的后果。


