10個讓你燒腦讓你暈的數學悖論!

2020-11-26 易知數學

悖論是一種很有意思的邏輯遊戲,看完這10個經典悖論,你腦子還轉的過來嗎?

①二分法悖論

概述:運動是不可能的。你要到達終點,必須先到達全程的1/2處;要到達1/2處,必須先到1/4處……每當你想到達一個點,總有一個中點需要先到,因此你是永遠也到不了終點的。

古希臘哲學家芝諾提出了一系列關於運動不可分性的哲學悖論,二分法悖論就是其中之一。直到19世紀末,數學家們才為無限過程的問題給出了形式化的描述,類似於0.999……等於1的情境。

那麼我們究竟是如何到達目的地的呢?二分法悖論只是空谷傳音般放大了問題。若想妥善解決這個問題,還得靠物質、時間和空間是否無限可分等等這些20世紀的衍生理論。

腦洞:無限二分16寸芝士乳酪蛋糕卻不能吃的快感,你值得擁有。

②飛矢不動

概述:一根箭是不可能移動的。飛行過程中的任何瞬間,它都有一個暫時的位置,由此可知一枝動的箭是所有不動的集合。

芝諾又一著名悖論,他認為時間的單位是瞬間。事實上,運動不會發生在任何特定時刻,並不意味著運動不會發生。戰國時期的詭辯學代表人物惠施也曾說:「飛鳥之影,未嘗動也。」

「飛矢不動」實際上暗示了量子力學的觀點。以狹義相對論為背景,物體在靜止與運動時是不同的。根據相對論,對於以不同速度移動的物體,觀察者會產生不同感受,對周圍的世界也會持有不同看法。

腦洞:看到漂亮妞心動3秒,上去要電話慘遭拒絕。咳咳,飛矢不動,我沒心動。

③忒修斯之船

概述:如果忒修斯的船上的木頭被逐漸替換,直到所有的木頭都不是原來的木頭,這艘船還是原來的那艘船嗎?

基於同一性的古希臘著名悖論,引發了赫拉克利特、蘇格拉斯、柏拉圖等的各種討論。近代啟蒙運動中,英國的兩位大哲學家託馬斯·霍布斯(Thomas Hobbes)、約翰·洛克(John Locke)也曾嘗試解答這個問題。答案始終是是非非,難以一錘定音。

腦洞:人體細胞每七年更新一次,七年後,鏡子裡是另一個你。

④託裡拆利小號

概述:體積有限的物體,表面積卻可以無限。

17世紀的幾何悖論。義大利數學家託裡拆利(Evangelista Torricelli)將y=1/x中x≥1的部分繞著x軸旋轉了一圈,得到了上面的小號狀圖形(註:上圖只顯示了一部分圖形)。然後他得出:這個小號的表面積無窮大,可體積卻是 π。

腦洞:原來也有平胸不一定能為國家省布料的時候。

⑤有趣數悖論

概述:1是非零的自然數,2是最小的質數,3是第一個奇質數,4是最小的合數等等;如果你找不到這個數字有趣的特徵,那它就是第一個不有趣的數字,這也很有趣。

於是,量子計算領域的研究猿納撒尼爾·約翰斯(Nathaniel Johnston)把這些有趣的整數定義為一個整體,並將這些整體排成序列,像是質數、斐波那契數列、畢達哥拉斯數等。基於這個定義,約翰斯在2009年6月的博客裡提出,第一個沒有出現在序列裡的數字是11630。2013年11月序列更新之後,他表示14228是最小的無趣數。

腦洞:n只青蛙n張嘴,2n隻眼睛4n條腿,撲通n聲跳下水……你想起數列是個什麼鬼了嗎?

⑥球與花瓶

概述:假設無限個球和一個花瓶,現在要進行一系列操作,且每次操作都一樣:往花瓶裡放10個球,然後取出1個球。那麼,無窮多次這樣的操作之後,花瓶裡有多少個球呢?

答案千奇百怪。最直接的是無限個,也有數學家認為,每個球都會被取出來。邏輯學家詹姆斯·亨勒(James M. Henle)和託馬斯·泰馬祖科(Thomas Tymoczko)提出花瓶裡的球最終可以是任意數目,甚至有具體的構造方法。

1976 年謝爾登·羅斯(Sheldon Ross)在他的《概率論第一課》(A First Course in Probability)介紹了這個問題,所以它被稱為「羅斯·利特爾伍德悖論」(Ross-Littlewood Paradox)。

腦洞:小學奧林匹克暗袋摸球概率題終極版。

⑦土豆悖論

概述:100克土豆含有99%的水,如果它被榨出了2%,還剩98%的水分,它將只重50克。即100克的土豆含有1克乾物質(dry material),當還剩98%的水分時,1克將對應2%的含量,因此含98%水分的土豆重50克。

腦洞:理科生們笑到內傷。

⑧飲酒悖論

概述:酒吧裡會發生這種情況:如果有人在喝酒,那麼每個人都在喝酒。乍看起來是一個人喝酒導致了所有人喝酒。實際上,如果酒吧裡至少有一個人沒在喝酒,那麼按照數學中的實質條件(material conditional),對那些沒喝酒的人來說,有些人在喝酒,這些人中的每個人都在喝酒,情況依然成立。

實質條件的示意圖如下:

「飲酒悖論」由於雷蒙德·斯穆裡安(Raymond Smullyan)的書而出名,這本書的名字就叫《這本書叫什麼名字》(What Is the Name of this Book?)。

⑨理髮師悖論

概述:小城的理髮師放出豪言:「我只幫城裡所有不自己刮臉的人刮臉。」那麼問題來了,理髮師給自己刮臉麼?如果他給自己刮臉,就違反了只幫不自己刮臉的人刮臉的承諾;如果他不給自己刮臉,就必須給自己刮臉,因為他的承諾說他只幫不自己刮臉的人刮臉。兩種假設都說不通。

赫赫有名的羅素悖論,由英國數學家勃蘭特·羅素教授於20世紀初提出。這條悖論證明了19世紀的集合論是有漏洞的,幾乎改變了數學界20世紀的研究方向。

腦洞:對於不刮鬍子的女理髮師不成立。

⑩祖父悖論

概述:如果你乘坐哆啦A夢的時光機,回到你爺爺奶奶相遇之前,殺死你的爺爺會發生什麼?如果殺死了你的爺爺,那麼你就從未誕生;如果你從未誕生,如何回到以前殺死你的爺爺?

祖父悖論看似杜絕了人為操縱命運的可能,過去無法改變,爺爺一定會在孫子的謀殺中倖存下來;還有種可能是,你進入了另一個平行宇宙,這是你從未生活過的世界,但你的爺爺奶奶卻也在這裡。

這個關於時間旅行的悖論源自羅伯特·海因萊因的短篇小說,近來又出現在諾蘭導演的《星際穿越》中。

腦洞:如果你重返二戰前,殺死希特勒,成功阻止了二戰的爆發。然而,如果沒有發生二戰,回去刺殺希特勒的理由是什麼?時間旅行本身就消除了旅行的目的,本身就在質疑本身。

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