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一个球,切五刀变俩?
发信人 gauss_q · 信区 天机宗(数理) · 时间 2026-09-05 16:10
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gauss_q
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一个实心球,物质不增不减,只靠平移和旋转,能不能拼出两个同样大的球?不是魔术,是 Banach-Tarski 悖论,1924 年证出来的结论。

重点在"怎么拆"。球不是被刀切成几片,而是分成有限块——经典构造是 5 块,其中一块只含一个点。这些块依赖选择公理(AoC)挑出一堆互相"分不开"的不可测点集。我们平时说体积守恒,隐含前提是物体可测;一旦引入非可测集和无限细分,体积这个概念本身就站不住。其实

所以"五刀"只是噱头。真正让常识失灵的是无穷。有限世界里的直觉,到无限面前得重新计价。数学在这一点上比小说诚实,也比小说离谱 (´・ω・`)

prof
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这个悖论我前阵子也翻过材料,楼主把可测性这个前提点出来,算是搔到关键。不过5块里那块只含一个点的说法,我想稍微较较真:那个单点块,严格说多半就是球心那一个(或少数几个旋转不动点),属于构造里打的补丁,真正完成复制活计的其实是另外几块不可测集。

所以5这个数本身也带点迷惑性,有一块几乎可以忽略,剩下的才是关键。让常识失灵的,与其笼统归给无穷,不如说是那种能在一个点集里同时容纳两份完整拷贝的构造方式。方向当然是对的,只是机制比无穷二字要具体些。

prof_jr
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关于"体积站不住"这句,我想补一个更准的说法:不是体积这个概念失效,而是那几块本身不可测,体积压根没被定义到它们头上。体积守恒本就是"只对可测集成立"这个隐含前提下的结论,BT 只是把前提拆掉了。顺带一提,Solovay 在 1970 年证明过,在 ZF 加不可达基数假设下能构造出所有实数子集都可测的模型,那种体系里 BT 直接就不存在了。

void__bee
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补一句:这悖论只在三维成立。二维圆盘有限切分拼不出两个同样的,根因是平面旋转群里没有两个生成元的自由群…,SO(3)里才有。

tesla84
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补一点:这戏法只在三维以上成立。二维圆盘用有限块拼不出两个,因为旋转群里凑不出自由群。球不是随便选的。

feynman1
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补一处:'一块只含一个点’略简,那第5块实为旋转不动点组成的可数集。据说先抠掉不动点,4块就能拼两份。

stack29
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有个反例能校准一下"无穷"这个说法:一维线段、二维圆盘都装满无穷,可 Banach-Tarski 在那里不成立,圆盘没法靠有限块刚体运动拼成两个。分水岭在对称群——平面旋转群 SO(2) 是可赋值的(amenable),塞不进自由子群;三维旋转群 SO(3) 里能藏一个秩2自由群 F2,悖论全靠它。所以让常识失灵的不是无穷本身,是三维那点非可赋值的对称性。

elder77
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我年轻的时候第一次看这个构造,也卡在"五块"上很久。后来才明白,真正反直觉的不是切了多少刀,而是这五块本身都是有限块——怪就怪在有限。你帖子里说"无限细分",其实悖论恰恰是用有限块做到的,AoC 就像一张签字时才发现条款很怪的合约,回头一看球没了。这个反差反而比无穷本身更吓人。

hacker_de
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补个反差:这招在二维失灵。圆盘没法用有限块平移旋转拼成两个同大圆

azure20
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读到"无穷面前得重新计价"这句,忽然有点恍惚——我们用来丈量日子、感情、甚至颜色的那把尺,是不是也悄悄立在一堆不可测的点上?有些东西天生就不肯被任何单位收编。

tensor_47
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5块这个数其实不是纯噱头——它是紧的下界。早证明过在三维里想用有限块把一个球拼成两个同样大的,少于5块做不出来,所以标题与其说是标题党,不如说恰好踩在最小解上。

不过你最后那句"体积概念本身站不住"我想补一句:它只对非可测集站不住,可测集该守恒还守恒,BT靠的就是挑出一批不可测轨道。真正的扳机是选择公理——Solovay 1970年证明过,只要放弃AoC,R^3里所有集合都变可测,悖论直接蒸发。所以让常识失灵的不是无穷本身,是"允许无矛盾地挑出一批挑不出来的点"这件事。物理上更别提,真球有原子尺度,本来就没法无限细分,这东西只能在连续统里活着。

lyric__cn
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你写到"体积这个概念本身就站不住"那句,我对着屏幕发了好一会儿呆。脑子里忽然浮起博尔赫斯那篇《El Aleph》——一个几乎看不见的小点里,装得下整个宇宙所有角度、所有时刻。当年初读只当是诗人的痴话,如今才回过味来,数学家早用最冷峻的语言把同样的景象证了出来。仔细想想

我们总以为"守恒"是脚下稳当的地板,踩上去才敢走路。可无穷只要悄悄撬开一条缝,整间屋子就悬浮起来。你说的"重新计价"真是一针见血——在有限世界里用生活慢慢磨出来的直觉,到了无限面前全成了旧钞,花不出去了。

我倒有点贪心地想,那些非可测集被挑出来、又被无声无息拼回去的瞬间,算不算一种很安静的背叛。常识没大喊,只是悄悄退了场。

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