第二次數學危機是什麼?阿基裡斯為啥追不上烏龜?

2020-12-11 鈴木歐

大家好,我是鈴木歐。

我們上次講完了第一次數學危機之後,有人就問我第二次數學危機又是咋回事?今天我們就來說一下這個問題。

第二次數學危機的萌芽,其實在古希臘時代就已經有了,古希臘有一個數學家叫芝諾

他研究了很多的悖論,用來反駁時間和空間的連續性問題。其中最著名的一個就是阿基裡斯追烏龜的故事。

阿基裡斯是古希臘傳說中的一個英雄,什麼叫英雄?我們知道古希臘有很多的神,神和神的孩子就是神,人和人的孩子就是人,那神和人如果發生愛情,他們的孩子就是英雄。阿基裡斯就是這樣一個英雄,他是古希臘跑得最快的英雄。同時呢也是渾身刀槍不入,只有腳後跟這有一個弱點,後來被人射腳後跟射死了。

那麼,這個阿基裡斯有一天遇到了一隻烏龜,烏龜跟阿基裡斯就說了,說阿基裡斯別看你跑得快,但是你永遠也追不上我。阿基裡斯說為啥啊?它說,你看啊,你在A點,我烏龜在B點,對吧。這就叫a1,a2.

好了阿基裡斯咱們現在開始跑吧,那麼你可以要追上我的話,你得先追上我先跑這一段a1→a2,對不對?所以第一個階段,阿基裡斯就從a1跑到了a2,但是這段時間我烏龜沒閒著啊,我也往前跑了,我就從a2跑到了前面的一個位置a3,a3很顯然,它肯定沒有a1→a2那麼遠,但是我也畢竟跑了,你妹追上對吧,沒追上你接著追。你要想追上我,你得先從a2跑到a3,對不對?所以阿基裡斯又來,從a2跑到a3,對不對?在這過程中,我烏龜也沒閒著,我又往前跑了一段,雖然我跑得更少了,但畢竟我還跑了,對不對?所以烏龜又從a3跑到了a4。因此二者之間距離只能是不停地減小,但是永遠也不可能為零。

因此,阿基裡斯永遠也追不上烏龜。

這個問題到底在哪?咱們仔細研究一下,我們會發現一件事。阿基裡斯比烏龜跑得快,所以他們之間是不停縮短的我們不妨做一個假設,假設VA等於兩倍的VB。那這樣一來,如果阿基裡斯和烏龜最初相距L。阿基裡斯走完了這個L之後,烏龜往前走的距離就是1/2L,阿基裡斯走完了1/2L之後,烏龜再往前走的距離就是1/4L,所以阿基裡斯所需要走的總路程是多大?是L+1/2+1/4+1/8+...一直這樣加下去大家知不知道這個結果是多少?你看這個結果最開始跟2L差的1/2,再補上1/4之後,就跟2L差了1/4,再補上1/8之後,跟2L差了1/8所以它最終結果等於什麼?

等於2L-1/2^nL,其中這個n無窮大,對不對?

好了再來,那麼你所需要花的時間又有多長?如果第一段時間是t,第二段時間是1/2t,第三段時間是1/4t,第四段時間1/8t,那麼一直加下去

同樣它也等於2t-1/2^nt。

其中這個n如果無窮大的話,那麼最後的兩項就會非常小,所以n無窮大的時候,△SA和△TA,就是無窮小!,也就是它最後的這一項,我們就可以稱之為是無窮小項。

所以芝諾的悖論主要問題是在於把一個有限的長度分割成了無限多份,但是這些份加起來並不是一個無窮長的時間和路程,但是從這一點出發人們就已經最初認識到了一個叫做無窮小的玩意兒。後來古希臘文明衰落,歐洲就沉寂了一千多年兩千年。直到後來呢,文藝復興之後才重新開始研究一些問題。那麼那個時候出現了一些猛人,比如說像牛頓,還有萊布尼茲。那麼這兩個人他們各自獨立發明了微積分,微積分裡面有一個重要的概念叫導數,什麼是導數?假如有一個函數y-x,它的圖像是這樣

那麼我們在這裡取一點P0,在旁邊取一點P,那麼這兩個點就會有一個橫坐標的差和一個縱坐標的差,對吧。如果你△X趨近於零的話,那麼P點就會非常接近於P0點,對吧?P點非常非常接近於P0點的時候△y/△x就叫做P0點的導數人們通過導數以及微積分解決了很多數學和物理上的問題,所以人們覺得這是很正確的,直到有一天,有一個人叫貝克萊,這個貝克萊是英國的大主教,他有很多觀點,非常神奇。貝克萊就說了,說你這個有問題,說這個問題是什麼呢?

你看你這個△x趨近於零,你到底是零還是不是零?你如果說△x它是零的話,那麼你怎麼可以做分母,對不對?如果△x不是零,又怎麼能說B點和A點重合變成一個點呢?因此貝克萊最早提出的這個問題——就是無窮小到底是不是零?

這個問題怎麼回答都是矛盾的,所以微積分的基礎是又問題的,這件事就被稱為——第二次數學危機。

第二次數學危機在歷史上持續的時間非常長,150年。150年之後,很多數學家對這個問題進行了重新定義。比如說像阿貝爾,像柯西,像康託爾,這些人對無窮小進行了嚴格的定義,從而使微積分具有了堅實的基礎,所以歸結到一句話

第二次數學危機是微積分基礎的問題,無窮小到底是不是零。

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  • 阿基裡斯為何追不上烏龜?
    阿基裡斯也追不上我)數學史第一次、第二次數學危機的產生都和芝諾悖論有關,即無窮概念的本質一直無法認識清楚而引起的危機。生活常識告訴我們人是可以追上烏龜,何況是跑步英雄阿基裡斯。那究竟是什麼導致這一結果,看看你能不能信。但如果真的明白了以後,包括蝸牛都充滿著這樣的自信說,任何人都追不上自己,當然條件得蝸牛按下面比賽規則來定。
  • 阿基裡斯能追上烏龜嗎?
    上一次我們講了第一次數學危機,那是關於無理數的危機。這一回我們要來複習一下第二次數學危機,它是關於「無窮小」到底是什麼的爭論。
  • 為什麼跑得最快的人永遠追不上烏龜?第二次數學危機是什麼
    阿基裡斯和小烏龜一天,一隻烏龜翻山越嶺來找阿基裡斯說我是跑得最快的烏龜,別人都說你是跑得最快的人,但你永遠追不上我,不過你號稱是跑得最快的人,你得先讓我領先你1000米。還沒等阿基裡斯回話,烏龜又說到你要追上我就得先跑完這1000米,在你跑完這1000米的時間,我又前進了100米,這時我倆又會存在100米的距離而你還想追上我,就得先跑完這100米的距離,在你跑完這100米的時間,我又前進了10米,這時我倆又會存在10米的距離
  • 如何用數學方法推翻阿基裡斯「追不上烏龜悖論」?
    其實我們用最簡單的數學方法就能推翻阿基裡斯「追不上烏龜」這個悖論了阿基裡斯永遠也追不上烏龜是古希臘哲學家芝諾四大著名悖論之一,影響還特別深遠,叫做「阿基裡斯悖論」芝諾悖論就說,阿基裡斯再能跑,也永遠追不上一隻烏龜!所以我們先來看看它是怎樣追不上烏龜的:這個悖論就是這樣的,阿基裡斯讓烏龜先跑一百米。阿基裡斯再追這隻烏龜,當阿基裡斯追上烏龜原來的位置的時候,烏龜又已經跑出一段距離了。
  • 讓你燒腦讓你暈的阿基裡斯與烏龜的悖論
    有一天,阿基裡斯遇到了一隻烏龜。烏龜對阿基裡斯說:「別看你跑得快,你永遠也追不上我。」 阿基裡斯不相信的問:「為什麼呢?」烏龜向他解釋道:開始比賽時,阿基裡斯在後方A處,烏龜在前方B處,二者同時起跑。阿基裡斯要追上烏龜,首先要追上烏龜先跑的一段路程AB,但是在這段時間烏龜也在向前跑,當阿基裡斯到達B處時,烏龜已經跑到了C處,還沒有追上。
  • 第二次數學危機,頭疼的高數,看牛頓與萊布尼茲的相愛相殺
    上篇內容我們講到了第一次數學危及的誕生以及原因,這次我們依然回到公元前490年的古希臘,誕生了一位數學家叫芝諾,他提出了一個阿基裡斯追烏龜的故事。阿基裡斯是古希臘神話中英雄,他是古希臘奔跑最快的英雄,有一天他碰見了一隻烏龜,烏龜說:別看你跑的很快,但是你永遠也追不上我。因為當阿基裡斯想要追上烏龜的位置的同時烏龜也走了一段距離,當阿基裡斯再次要追上烏龜上次位置的時候,烏龜又再次跑了一段距離,理論上阿基裡斯只能比烏龜的距離隨著時間增加而越來越小但是與烏龜的距離永遠不能為0。腦洞真的是大啊?
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    在公元前5世紀的古希臘,芝諾發表了著名的阿基裡斯悖論:讓烏龜在阿基裡斯前面1000米處開始賽跑,並且假定阿基裡斯的速度是烏龜的10倍。若阿基裡斯跑了1000米,設所用的時間為t,此時烏龜便領先他100米;當阿基裡斯跑完下一個100米時,他所用的時間為t/10,烏龜仍然前於他10米;當阿基裡斯跑完下一個10米時,他所用的時間為t/100,烏龜仍然前於他1米…… 芝諾認為,阿基裡斯能夠繼續逼近烏龜,但決不可能追上它。
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  • 清北學子都知道的科普:「兔子」永遠追不上烏龜——芝諾的烏龜
    芝諾發表了著名的阿基裡斯悖論:他提出讓烏龜在阿基裡斯前面1000米處開始,和阿基裡斯賽跑,並且假定阿基裡斯的速度是烏龜的10倍。當比賽開始後,若阿基裡斯跑了1000米,設所用的時間為t,此時烏龜便領先他100米;當阿基裡斯跑完下一個100米時,他所用的時間為t/10,烏龜仍然前於他10米;當阿基裡斯跑完下一個10米時,他所用的時間為t/100,烏龜仍然前於他1米……芝諾認為
  • 只要烏龜先跑,人就再也追不上了,這是一個有趣的悖論
    宇宙天文領域存在著悖論、數學領域存在著悖論,而哲學領域那就更是悖論的大本營。悖論不僅燒腦,而且非常有趣,更為重要的是悖論能夠推動人類文明的飛速發展,隨著科學的進步和技術的創新,在漫長的歷史長河之中,有很多悖論都已經無悖可論,當然,還有一些至今仍然無解。對於那些仍然無解的,我們在這裡不打算過多涉及,因為那會引起不必要的爭論。在這裡,我們只來看看一些有趣的悖論,比如人是否能夠追上烏龜?
  • 人和烏龜賽跑,先讓烏龜跑1000米,為什麼再也追不上烏龜了?
    筆者-小文烏龜是世界上行走速度最慢的生物之一,爬行速度為每分鐘0.003千米,在日常生活中,我們經常用烏龜來形容一個人做事慢慢吞吞的,但如果人和烏龜比賽的話,人卻未必能夠勝過烏龜。在著名的童話故事《龜兔賽跑》中,驕傲的兔子在比賽途中睡著了,雖然烏龜的爬行速度很慢,但最終還是讓烏龜贏得了比賽,龜兔賽跑故事的意義在於告誡人們不要過於驕傲自大,很多人都認為烏龜是不可能勝過兔子的。但事實是,就算比賽的對象不是兔子而是人類,人類也未必能夠勝過烏龜的速度,而著名的阿基裡斯悖論就很好地驗證了這一點。
  • 物理學四大神獸之芝諾的烏龜,芝諾悖論到底存不存在?
    物理學四大神獸之芝諾的烏龜,這則悖論曾經困擾了整個科學界上千年之久,甚至導致了第二次數學危機,你是否聽過這樣一個故事,烏龜與人類賽跑,由於人的平均速度是烏龜的十倍,鑑於人類很有體育精神,於是他決定,讓烏龜先跑100米,然後自己再跑,當他跑了100米後,這名人類發現烏龜領先他十米,於是他又奮力地追了一米,此時,人們發現烏龜比他領先了十釐米,那麼人類,究竟何時才能追上烏龜?
  • 古希臘哲學家芝諾的悖論:你永遠追不上烏龜?
    由於中點的數目不可窮盡,因而無論給你多少時間,也不可能走完這些中點,由此可見,運動是不可能的。 二分悖論有一個著名的變種叫做阿基裡斯與烏龜悖論。該悖論中的阿基裡斯(Achilles)是希臘神話中的勇士,體力過人、長於奔跑,烏龜則是被廣泛視為移動緩慢的動物。
  • 阿基裡斯與烏龜賽跑
    阿基裡斯被希臘人認為是善跑的英雄,他跑得很快。但芝諾卻說,雖然阿基裡斯善跑,如果他和烏龜比賽,先讓烏龜跑出去,然後阿基裡斯再去追,無論他跑得多麼快,也追不上烏龜的。他提出讓烏龜在阿基裡斯前面1000米處開始,和阿基裡斯賽跑,並且假定阿基裡斯的速度是與烏龜的10倍。
  • 有一點數學悖論:芝諾的烏龜
    2、阿基裡斯與烏龜阿基裡斯是古希臘的英雄,以長跑著稱,芝諾表示,兄弟不是我磕磣你,你連一隻烏龜都追不上,他解釋到,假如烏龜在阿基裡斯前方,兩者同時開始賽跑,如果阿基裡斯想追上烏龜,就必須先到烏龜的位置,而這段時間烏龜必然會向前跑一段距離,如果阿基裡斯又跑到那個位置,烏龜又會往前挪一點點。
  • 數學故事——第二次數學危機
    這次危機的萌芽出現在大約公元前450年,芝諾注意到由於對無限性的理解問題而產生的矛盾,提出了關於時空的有限與無限的四個悖論:    「兩分法」:向著一個目的地運動的物體,首先必須經過路程的中點,然而要經過這點,又必須先經過路程的1/4點……,如此類推以至無窮。——結論是:無窮是不可窮盡的過程,運動是不可能的。
  • 只要烏龜先跑,人就再也追不上了?這是一個令人糾結的悖論
    文/濤聲依舊只要烏龜先跑,人就再也追不上了?這是一個令人困惑的悖論什麼是悖論,這在一般人看來是令人完全摸不著頭腦,很糾結的一種結論方式,科學上來說悖論是對於一道命題或者是一次推理當中所產生的完全對立的兩種結論,並且這兩種結論都有著近乎完美的解釋,比如說外祖父悖論,即一個人穿越到過去殺掉了自己的外祖父,但是這樣自己就不會誕生下來,也就根本無法產生殺掉外祖父的這種行為,這就是悖論的一種。
  • 數學上的三次危機
    在數學發展史中,始終貫穿著這些矛盾的鬥爭與解決,而在矛盾激化到涉及整個數學的根本基礎時,就會產生數學危機。所謂的數學危機,指的就是數學公理在定義上的不完全或者是不夠嚴謹,導致了在理性的推論下,得到錯誤結論的情況,不過所謂機遇與挑戰並存,數學家喜歡機遇,但也同時不畏挑戰,要想解決這些危機,就要對數學基礎理論進行修正和補充,而這樣的努力,也往往給數學帶來新內容。
  • 數學史上的「三大危機」,除了無理數危機你還知道哪一個?
    真理哭泣,歷史燃燒,無論什麼年代都不缺解決提出問題的人。但是少數人的狹隘鎖不住真理,√2等無理數的發現很快引起了一場浩浩蕩蕩的數學革命,史稱「第一次數學危機」,這次革命影響了人類近2000多年的文明史,它告訴我們,真理或許會遲到,但絕不會缺席。