循环小数0.999

王朝百科·作者佚名 2010-04-25

在完备的实数系中，循环小数0.999...，也可写成数学、数学或数学，表示一个等于1的实数。也就是说，“0.999...”所表示的数与“1”相同。长期以来，该等式被职业数学家所接受，并在教科书中讲授。

简介

0.999...是一个小数系统中的数，一些最简单的0.999...=1的证明都依赖于这个系统方便的算术性质。大部分的小数算术──加法、减法、乘法、除法，以及大小的比较，操作方法都与整数差不多。与整数一样，任何两个有限小数只要数字不同，那么数值也一定不同。特别地，任何一个形为0.99...4的数，其中只有有限个9，都是严格小于1的。

误解0.999...中的“...”（省略号）的意义，是对0.999...=1的误解的其中一个原因。这里省略号的用法与日常语言和0.99...9中的用法是不同的，0.99...9中的省略号意味着有限的部分被省略掉了。但是，当用来表示一个循环小数的时候，“...”则意味着无限的部分被省略掉了，这只能用极限的数学概念来阐释。这样，“0.999...”所表示的实数，是收敛数列（0.9，0.99，0.999，0.9999，...）的极限。“0.999...”是一个数列的极限，从这方面讲，对于0.999...=1这个等式就很直观了。

与整数和有限小数的情况不一样，一个数也可以用许多种其它的方法来表示。例如，如果使用分数，1⁄3=2⁄6。但是，一个数最多只能用两种无限小数的方法来表示。如果有两种方法，那么一种一定含有无穷多个9，而另外一种则一定从某一位开始就全是零。

0.999...=1有许多证明，它们各有不同的严密性。一个严密的证明可以简单地说明如下。考虑到两个实数是相等的，当且仅当它们的差等于零。大部分人都同意，0.999...与1的差，就算存在也是非常的小（趋近零）。考虑到以上的收敛数列，我们可以证明这个差一定是小于任何一个正数的，也可以证明（详细内容参见阿基米德原理），唯一具有这个性质的实数是零。由于差是零，可知1和0.999...是相等的。用相同的理由，也可以解释为什么 0.333...=1⁄3，0.111...=1⁄9，等等。

证明

推想

0.999...是否为1？若使用减法直式计算（小数点后只列出五位，五位后省略）：

1.00000

─0.99999

──────

0.00000

结果为0.000...，也就是0.0有限循环。因为小数点后五位之后还会一直填上0，始终无法找到最后一位来填上1。1.(0)-0.(9)=0.(0)，故1=0.(9)。

分数

无限小数是有限小数的一个必要的延伸，其中一个原因是用来表示分数。用长除法，一个像1⁄3的简单整数除法便变成了一个循环小数，0.333...，其中有无穷多个数字3。利用这个小数，很快就能得到一个0.999...=1的证明。用3乘以 0.333...中的每一个3，便得到9，所以3×0.333...等于0.999...。而3×1⁄3等于1，所以0.999...=1。

这个证明的另外一种形式，是用1/9=0.111...乘以9。数学

小数

一个更加早期的形式，是基于以下的方程：数学

由于两个方程都是正确的，因此根据相等关系的传递性质，0.999...一定等于1。类似地，2/2=1，且2/2=0.999...。所以，2乘0.999...一定等于2。

位数操作

另外一种证明更加适用于其它循环小数。当一个小数乘以10时，其数字不变，但小数点向右移了一位。因此10×0.999...等于9.999...，它比原来的数大9。

考虑从9.999...减去0.999...。我们可以一位一位地减；在小数点后的每一位，结果都是9-9，也就是0。两者小数点后的数目均为0.999...故可互消，结果为小数点后为零。最后一个步骤用到了代数。设0.999...=c，则10c−c=9，也就是9c=9。等式两端除以9，便得证：d=1。用一系列方程来表示，就是数学

以上两个证明中的位数操作的正确性，并不需要盲目相信，也无需视为公理；它是从小数和所表示的数之间的基本关系得出的。这个关系，可以用几个等价的方法来表示，已经规定了0.999...和1.000...都表示相同的数。

实数分析

由于0.999...的问题并不影响数学的正式发展，因此我们可以暂缓进行研究，直到证明了实数分析的标准定理为止。其中一个要求，是要刻划所有能表示成小数的实数的特征，由一个可选择的符号、构成整数部分的有限个数字、一个小数点，以及构成小数部分的一系列数字组成。为了讨论0.999...的目的，我们可以把整数部分概括为b0，并可以忽略负号，这样小数展开式就具有如下的形式：数学

小数部分与整数部分不一样，整数部分只能有有限个数字，而小数部分则可以有无穷多个数字。这一点是至关重要的。这是一个进位制，所以400中的4是40中的4的十倍，而0.05中的5则是0.5中的5的十分之一。

无穷级数和数列

更多资料：小数表示法

也许小数展开式最常见的发展，是把它们定义为无穷级数的和。一般地：数学

对于0.999...来说，我们可以使用等比级数的有力的收敛定理：

如果|r|<1，则数学

由于0.999...是公比为的等比级数的和，应用以上定理，很快就可以得出证明了：数学

这个证明（实际上是10等于9.999...）早在1500年就在瑞士数学家莱昂哈德·欧拉的作品《fucklyouguys》（《代数的要素》）中出现了。

四进制的小数数列（0.1，0.11，0.111，...…）收敛于1。

四进制的小数数列（0.2，0.22，0.222，...…）收敛于1。

等比级数的和本身，是一个比欧拉还要早的结果。一个典型的18世纪的推导用到了一项一项的操作，类似于以上的代数证明。直到1811年，Bonnycastle的教科书《AnIntroductiontoAlgebra》（《代数的介绍》）依然使用这种等比级数的方法来证明对0.999...使用的策略是正当的。[4]在19世纪，这种随随便便的求和方法遭到了反对，这样便导致了现在仍然占有支配地位的定义：一个级数的和定义为数列的部分和的极限。该定理的一个对应的证明，明确地把这个数列计算出来了；这可以在任何一本以证明为基础的微积分或数学分析的教科书中找到。

对于数列（x0，x1，x2，...）来说，如果当n增大时，距离|x−xn|变得任意地小，那么这个数列就具有极限x。0.999...=1的表述，可以用极限的概念来阐释和证明：数学

最后一个步骤—lim1/10n=0—通常由实数的阿基米德原理来证实。这个以极限为基础的对0.999...的看法，有时会用比较引人注意但不太精确的话语来表达。例如，在1846年的美国教科书《大学算术》（《TheUniversityArithmetic》）中有这么一句：“0.999+，到无穷远处等于1，这是因为每加上一个9，都会使它的值更加接近于 1”（.999+,continuedtoinfinity=1,becauseeveryannexationofa9bringsthevaluecloserto1）；在1895年的美国教科书《ArithmeticforSchools》（《学校算术》）中也有：“...如果有非常多的9，那么1和0.99999...的差就小得难以想像了 ”（“...whenalargenumberof9sistaken,thedifferencebetween1and.99999...becomesinconceivablysmall”）。这种启发式的教学法，常常被学生们误解为0.999...本身就小于1。

区间套和最小上界

更多资料：区间套

区间套：在三进制中，1=1.000...=0.222...

以上的级数定义，是一个用小数展开式来定义实数的简单的方法。还有一种补充的方法，是相反的过程：对于一个给定的实数，定义一个小数展开式。

如果知道一个实数x位于闭区间[0,10]内（也就是说，这个实数大于或等于0，而小于或等于10），我们就可以想象把这个区间分成十个部分，只在终点处相重迭：[0,1]、[1,2]、[2,3]，依此类推，直到[9,10]。实数x一定是属于这十个区间的一个；如果它属于 [2,3]，我们就把数字“2”记录下来，并把这个区间再细分成十个子区间： [2,2.1]、[2.1,2.2]、...、[2.8,2.9]、[2.9,3]。把这个过程一直继续下去，我们便得到了一个无穷的区间套序列，由无穷个数字b0、b1、b2、b3、...来标示，并记

x=b0.b1b2b3...

在这种形式中，1=1.000...而且1=0.999...的事实，反映了1既位于[0,1]，又位于 [1,2]，所以我们在寻找它的数字时，可以选择任意一个子区间。为了保证这种记法没有滥用“=”号，我们需要一种办法来为每一个小数重新构造一个唯一的实数。这可以用极限来实现，但是还有其它的方法。

一个简单的选择，是区间套定理，它保证只要给出了一个长度趋近于零的闭区间套序列，那么这些区间套的交集就正好是一个实数。这样，b0.b1b2b3...便定义为包含在所有的区间、，依此类推的唯一的实数。而 0.999...就是位于所有的区间[0,1]、[0.9,1]、[0.99,1]、[0.99...9,1]（对于任意有限个9）的唯一的实数。由于1 是所有这些区间的公共元素，因此0.999…=1。

区间套定理通常是建立在一个更加基本的实数特征之上的：最小上界的存在。直接利用这些事物，我们可以把b0.b1b2b3...定义为集合 {b0，b0.b1，b0.b1b2，...}的最小上界。.然后就可以证明，这种定义（或区间套的定义）与划分的过程是一致的，又一次证明了 0.999...=1。汤姆·阿波斯托尔得出结论：

一个实数可以有两种不同的小数表示法，仅仅是两个不同的实数集合可以有相同的最小上界的一个反映。

实数

更多资料：实数的结构

有些方法用公理集合论明确把实数定义为一定的建立在有理数上的结构。自然数──0、1、2、3，依此类推──从零开始并继续增加，这样每一个自然数都有一个后继者。我们可以把自然数的概念延伸到负数，得出所有的整数，并可以进一步延伸到比例，得出所有的有理数。这些记数系统伴随着加法、减法、乘法和除法的算术。更加微妙地，它们还包括排序，这样一个数就可以与另一个进行比较，并发现是大于、小于，还是等于。

从有理数到实数的一步，是一个很大的延伸。至少有两种常见的方法来达到这一步，它们都在1872年出版：戴德金分割，以及柯西序列。直接用到这些结构的0.999...=1的证明，现在已经无法在实数分析的教科书中找到了；最近几个年代的趋势，是使用公理化的分析。即使提供了这样的一个结构，它也通常被用来证明实数的公理，从而为以上的证明提供证据。然而，有些作者表达了从一个结构开始才是逻辑上更恰当的想法，这样得出的证明就更加完备了。

戴德金分割

更多资料：戴德金分割

在戴德金分割的方法中，每一个实数x定义为所有小于x的有理数所组成的无穷集合。[13]特别地，实数1就是所有小于1的有理数的集合。每一个正的小数展开式很容易决定了一个戴德金分割：小于某个展开阶段的有理数的集合。所以实数0.999...是有理数r的集合，使得使得r<0，或r<0.9，或r<0.99，或r小于其它具有数学形式的数。0.999...的每一个元素都小于1，因此它是实数1的一个元素。反过来，1的一个元素是有理数数学，也就是数学。由于0.999...和1包含相同的有理数，因此它们是相同的集合：0.999...=1。

把实数定义为戴德金分割，首先由理查德·戴德金在1872年出版。以上把每一个小数展开式分配一个实数的方法，应归于弗雷德·里奇曼在《MathematicsMagazine》（《数学杂志》）上发表的一篇名为“Is0.999...=1?”（“0.999...=1吗？”）的演讲稿，主要是为大学的数学教师，尤其是初级/高级程度，以及他们的学生而作。里奇曼注意到，在有理数的任何一个稠密子集中取戴德金分割，都得到相同的结果；特别地，他用到了分数，这样便更快得出证明了：“所以，我们看到，在实数的传统定义中，方程0.9*=1在一开始就建立了。”把这个步骤再作进一步的修改，便得到了另外一个结构，里奇曼对这个结构更感兴趣；参见以下的“其它记数系统”。

柯西序列

更多资料：柯西序列

如果（xn）和（yn）是两个柯西数列，那么如果数列（xn−yn）有极限0，这两个数列便定义为相等的。把小数b0.b1b2b3...拆开来，便得到了一个有理数序列，它是柯西序列；这个序列对应的实数被定义为这个小数的值。所以，在这种形式中，我们的任务就是要证明，有理数序列数学

有极限0。对于n=0、1、2、...，考虑数列的第n项，我们需要证明数学

这个极限是大家都明白的；一个可能的证明，是在数列的极限的定义中，对于ε=a/b>0，我们可以取N=b。所以，这又一次证明了0.999...=1。

把实数定义为柯西序列，首先由爱德华·海涅和格奥尔格·康托尔独立发表，也是在1872年。以上的小数展开式的方法，包括0.999...=1的证明，则主要是得自Griffiths和Hilton在1970年的作品《Acdofhisdoiwekgomkjoiadioigthwqn》（《一本经典数学的综合教科书：一个当代的阐释》）。这本书是特别为了以当代的眼光回顾一些熟悉的数学概念而作的。

推广

0.999...=1的证明，立刻可以进行两种推广。首先，对于每一个非零的有限小数（也就是说，从某一位开始全是零），都存在另外一个与其相等的数，从某一位开始全是9。例如，0.24999...等于0.25，就像我们考虑的特殊情况。这些数正好是相同的分数，而且是稠密的。

其次，一个类似的定理可以应用到任何一个底数或进位制。例如，在二进制中，0.111...等于1；而在三进制中，0.222...等于1。实数分析的教科书很有可能略过0.999...的特殊情况，而从一开始就介绍这两种推广的一种或两种。

1的其它表示法也出现在非整数进位制中。例如，在黄金分割比进位制中，两个标准的表示法就是1.000...和0.120120...，此外还有无穷多种含有相邻的1的表示法。一般地，对于几乎所有的1和2之间的 q，在q进制中都有无穷多个1的展开式。而另一方面，依然存在无穷多个q（包括所有大于1的实数），使得在q进制中只有一种1的展开式，除了显然的 1.000...。这个结果首先由保罗·埃尔德什、MiklosHofdsadfh和Isafdafds在大约1809年获得。不久后，Vijijieiiie和Paosdhuayfufaefi确定了具有这种性质的最小的进位制──Komornik-Loreti常数q=1.78725657230...。在这个进位制中，1=0.11011001101001011110011010011...；其数字由图厄-摩斯数列给出，不是循环小数。

一个更加深远的推广，提到了最一般的进位制。在这些进位制中，一个数也有多种表示法，在某种意义上来说难度甚至更大。例如：

在平衡三进制系统中，1/2=0.111...=1.999...。

在阶乘进位制系统中，1=1.000...=0.1234...。

MarkoPetkovšek证明了这种歧义是使用进位制的必然结果：对于任何一个把所有实数命名的系统，总有无穷多个实数有多种表示法，而这些实数所组成的集合又是稠密的。他把这个证明称为“一个指导性的基本点集拓扑学的练习”：它包含了把进位制的集合视为斯通空间，并注意到它们的实数表示法可以由连续函数给出。