数学上有个很有名的诡辩—阿喀琉斯追不上乌龟
芝诺是古希腊有名的哲学家,一日他提出了一个理论:阿喀琉斯永远追不上乌龟,阿喀琉斯是古希腊的一位半神,一位半神怎么会连区区一只乌龟都跑不过,人们自然不信。于是芝诺开始了他的辩解(放现在是诡辩):
假设阿喀琉斯速度10米/秒,乌龟1米/秒。我们让乌龟领先阿喀琉斯100米。此时:
当阿喀琉斯第一次追上乌龟时,花费10秒,乌龟向前移动10米。
阿喀琉斯第二次追上乌龟时,花费1秒,乌龟向前挪动1米
第三次,阿喀琉斯花费0.1秒,乌龟向前挪动0.1米
…
照这样下去,每次阿喀琉斯追上上次乌龟的位置时,总会离乌龟差一点距离,阿喀琉斯永远也追不上乌龟。
Q.E.D(拉丁短语Quod Erat Demonstrandum的缩写,相当于证毕)
欸?!
感觉哪里不对,但说的好像没有道理。
古希腊人们也是这么觉得的。
有句话叫实践是检验真理的唯一标准
所以让我们实践一下,发现芝诺的理论显然不对
可是,为什么?芝诺错在哪?
在古希腊,这是个无解的问题
不过现在,我们能够用数学来解释这个问题:
首先,我们先把这个问题转化为数学语言
在刚刚的假设下,我们可以把阿喀琉斯每次追上乌龟上一次的位置的时间相加
得到时间T=10+1+0.1+0.01+……+1/10^(n-1)
不难发现,我们越往后算,相加的数字越小(无限接近于0),可以发现这个无穷等比数列的和会趋于一个有限的值
再加上,这个等比数列是无限的,因此这些极小的加数就可以被忽略不计,使原本无限的数可以等于一个有限的数(因为把无穷个数相加没有意义,而且还会出现0.9999……和1之间找不到差值的情况,干脆把趋近直接当作严格等于,如果之后会讲到0.999……和1,我会详细说明)
在数学上,我们可以把像这样的无穷的等比数列称为“无穷等比级数”,而如果它们的值如果可以趋于一个有限的值,我们称其为“收敛”
根据前面,我们可以得出T是收敛的,会等于一个有限的值
数学上,收敛的无穷等比级数之和会等于首项/1-公比
这里带入计算可以得到10/1-(1/10)=100/9
所以,我们得到T=100/9
也就是芝诺只是将有限的100/9秒无限地划分下去,营造了一种结果为无穷很大的错觉。但只要过了100/9秒,阿喀琉斯就能追上乌龟。
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