区分有理数与无理数的函数 (函数中可以对无理数有定义吗)

学习数学常常会碰到一些“莫名其妙、奇奇怪怪”的问题,比如下面这道习题:

有理数无理数函数,区分有理数与无理数的函数

问题很开放哦,你并不知道是否存在这样的连续函数 f 。依靠直觉判断?很多时候,直觉是数学的敌人。

怎么破?先看看如果存在这样的函数,那么会有什么样的性质呢?即,假设有连续函数 f 满足题目要求。

我们构造下列集合

有理数无理数函数,区分有理数与无理数的函数

可知E是 f 的值域,E1和E2分别是无理数和有理数的子集(所以两个集合不相交)。而且,

  • 对于每一个y∈E1,都对应至少一个有理数x,使得f(x)=y。所以E1的势至多与有理数相同;

  • E2是Q的子集,所以E2的势至多与有理数相同。

于是E是一个至多可数集。果真如此吗?

我们取x1∈Q,x2∈R\Q,记y1= f(x1),y2= f(x2)。显然

  • x1≠x2(一个有理数,一个无理数)

  • y1≠y2(一个无理数,一个有理数)

但是,f 是一个连续函数啊,连续函数,连续函数!

身为一个连续函数,f 满足介值定理的:对于y1和y2之间的一切值y,都可以在x1和x2之间找到一个对应的x,使得f(x)=y。为了方便叙述,不妨令x1<x2,y1<y2。即有

有理数无理数函数,区分有理数与无理数的函数

所以E的势与实轴的势一样,这就尴尬了!矛盾!

所以,不存在这样的连续函数 f。