问题:

假设一位音乐天才,认为任何频率之比为有理数的一对音符都是悦耳的,那么他是否会觉得所有的音符都是悦耳的?

详细说明:当一对音符的频率比为有理数且分母较小时,这样的音符称为「协和音」,我们听起来会觉得悦耳。当分母较大时,其中的规律便不容易被发现。我们假设这位音乐奇才可以辨别任何频率之比为有理数的音符。由于对于无理数,总存在有理数无限接近于它,那么频率之比为无理数的音符对于他来说是否仍然悦耳呢?


先思考这样一个问题:在 $[0,1]$ 区间上,能否使用无穷多个开区间覆盖所有有理数,并使这些开区间的总长度小于 1?

虽然有理数是稠密的,但却是可数的。因此,首先将数轴上的有理数依序排列,则每个有理数都可以用任意长度的开区间覆盖。令覆盖第 $n$ 个有理数的开区间长度为 $\dfrac{\epsilon}{2^n}$,则总区间长度为

$$ \epsilon\left(\dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{4} + \dots + \dfrac{1}{2^n} + \cdots \right) = \epsilon $$

由于 $\epsilon$ 可以任意选取,所以开区间总长度可以任意小。这表明在数轴上随机选取一点为有理数的概率为 0。

回到原问题,对这位音乐奇才来说,随机选取一对音符,他觉得该音符悦耳的概率为 0。这意味着当分辨能力趋于无限时,反而可能觉得所有音乐都不好听。

实际上,覆盖某个集合的开区间长度总和的下界被称为勒贝格测度。在这里,我们得知有理数的勒贝格测度为 0。

  • 在勒贝格测度中,任何可数集的测度都为 0。
  • 不可数无限集合的勒贝格测度也可以是 0,比如康托尔集。

参考

  1. 3Blue1Brown Video