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数学 / 康托尔集合论论文选 / 先把分数排成一列

有理数可数性

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Ueber eine Eigenschaft des Inbegriffes aller reellen algebraischen Zahlen, Journal fuer die reine und angewandte Mathematik 77, 1874, 258-262。

定义 2

可数 的核心不是有限,而是对象能否和自然数建立一一对应。

Rational numbers can be enumerated even though they are dense on the line.

有理数在线上稠密,但仍然可以逐个列出。

这一步先拆掉一个常见直觉:稠密不等于不可数。分数在任意小区间里都有无限多个,但只要按分子分母的高度分层,跳过重复项,就能排成一个序列。

层级

候选分数

读法

10/1, 1/1, -1/1先放最小高度
21/2, -1/2, 2/1, -2/1再放分子分母和较小者
31/3, 2/3, -1/3, -2/3跳过已约分重复项

表格只示意枚举策略,不要求固定唯一顺序。

分步证明Step-by-step proof
1 / 4
  1. 把每个有理数写成既约分数 p/q,其中 q 为正整数。

  2. 按 |p| + q 的大小分层,每层只有有限多个候选。

  3. 依次扫过所有层,并跳过重复表示。

  4. 每个有理数都会在某一层出现,因此有理数可数。

与戴德金切割 dedekind-cuts/overview、希尔伯特公理化 hilbert-grundlagen/overview、基础危机专题 math-meta/topic-foundations-crisis 和公理化运动专题 math-meta/topic-axiomatic-movement-deepening 对读。