为什么0.9999…=1?
有不少人不能理解为什么无限循环小数0.9999…=1,而认为0.9999…<1。理由如下:0.9小于1,0.99小于1,0.9…9(小数点后无论有多少个9)也都小于1,这样,即使小数点后有无穷多个9,无限循环小数0.9999…还应该小于1,而不应该等于1。
这看上去似乎有些道理,但其实是一种误解,是由于没有理解无限循环小数的确切含义造成的。事实上,有一些巧妙的“证明”立即可以说明无限循环小数0.9999…=1。比如,
证法1:设x=0.9999…,那么,
10x=9.9999…=9+0.9999…=9+x.
这样,10x-x=9,即可求得x=1。
证法2:我们已经知道1/3=0.3333…,等式两边同乘以3,立即得到1=0.9999…。
这样的“证明”有很多,读者也可以想出自己的方法来。上述的证法1特别有意思,它不仅告诉我们0.9999…=1,而且还给出了化无限循环小数为分数的一个方法。
不过,有读者可能会说:上面的证明我认可,可是我还是觉得0.9999…要比1小,这样的证明并没有消除我原有的疑惑,也不明白为什么1/3=0.3333…。
为此,现在让我们详细解释为什么1/3=0.3333…。从这个解释中会看到一个无限循环小数是怎样形成的,正确理解无限循环小数的意义,特别是能看到它与有限小数的区别,从而最终消除大家的疑惑。现在让我们先看一看下列用3去除1的算式:
这里,我们每做一次除以3(即除式顶部每添加一个3),都用了一次10-3×3=1或10÷3=3…1。正因为每次除以3都余1,使得除以3这个过程可以无限重复地做下去,从而得到的商是一个无限循环小数0.3333…,这样我们就有了1/3=0.3333…。
如果我们仅做有限次除以3,即上面的竖式只是一个有限竖式,那么,竖式的下端总有一个余数1,这是我们能继续除下去的基础,同时也说明了0.33…3(有限个3)是小于1/3的。但是,我们在做了无限次除以3,即左面的竖式变为一个无限长的竖式后,把最右下端的1给忽略掉了,而直接让1/3=0.3333…。那么,为什么此时这个1消失了,或者说扔掉这个1是合理的呢?我们来看看每次除以3所余的1到底是什么。
如果只除以3一次,竖式 表示的是1/3=0. 3+0.1/3=0.3+(1/3)×10-1,而竖式中最下面的余数1表示的是余项(1/3)×10-1。如果除以两次3,意味着1/3=0.33+0.01/3=0.33+(1/3)×10-2,余数1表示(1/3)×10-2。一般地,除n次得到
余数1表示的是(1/3)×10-n。这时,我们将1/3分成了两个部分之和,第一部分是小数0.33…3,第二部分是余项(1/3)×10-n。现在如果除无限次,即除的次数n等于无穷大,那么,第一部分的小数就变成了无限循环小数0.3333…,而第二部分余项呢?我们立刻可以看到,它变成了0!现在明白了,原来我们用竖式做除法,除无限次后扔掉的其实不是1而是0,当然可以把它忽略掉了。而式子
就变成了1/3=0.333…+0=0.3333…。
由于次数n是一个数,而无穷大不是数,说“n等于无穷大”并不准确,数学上我们说n趋向于无穷大,记为n→∞。此时,余项(1/3)×10-n趋向于0,而小数 趋向于无限循环小数0.3333…,分别记为(1/3)×10-n→0和 →0.3333…。我们把上述过程列一个表可以看得很明白:
上述过程表明:不管小数点后有多少个3,只要是有限多个,0.33…3总小于1/3,但一旦小数点后有了无限多个3,0.3333…却是实实在在等于1/3!这一事实也说明,我们不能把对任意“有限”的情形成立的事实,简单地搬到“无限”的情形。一旦涉及无限,情况就会变得很奇特。
现在回来说明1=0.9999…就相对比较容易了,我们也只要列一个类似的表就能完全说明问题了。
影响人们承认0.9999…=1的原因,可能是将对任意有限的小数成立的事实0.99…9小于1,想当然地照搬到无限循环小数0.9999…上了。
顺便指出,每个有限小数都有一个无限循环小数和它相等,比如0.25=0.249999…。因此,分数化为小数时有时并不唯一,但每个分数都可化为无限循环小数,且是唯一的。
【知识点】数学中的极限概念
在数学中,极限可分为数列极限和函数极限。数列极限是用来描述当一个序列的指标越来越大时,序列中元素的性质变化的趋势。例如,对于序列 随着n的增大,an的值越来越接近0,于是可以认为0是这个序列的极限。
函数极限是用来描述函数的自变量接近某一个值的时候,相对应的函数值变化的趋势。例如,对于函数
随着x的增大,函数的值越来越接近0,于是可以认为0是这个函数当x增大到无穷时的极限。