《數學月刊》:這種蛋糕的體積是有限的,表面積卻是無限的

2021-01-15 電子通信和數學

物體可以具有無限的表面積,但是體積是有限的,這似乎是一個悖論。悖論的一個常見解釋是,將面積與體積進行比較就像蘋果與橙子進行比較:面積以平方米為單位,但是體積以立方米為單位,那麼為什麼兩者之間就應該有相互關聯呢?你能找到更好的答案嗎?

1994年一位美國大學生提出了一個蛋糕數學模型,將其發表在《數學月刊》上,我們只了解其中簡單的一部分:

考慮一個無限高的生日蛋糕,每一層都是一個高度為1的圓柱體,該蛋糕第一層的半徑是1,第二層半徑是1/2,第三層半徑是1/3,第n層的半徑為1/n,現在要確定需要多少奶油才能覆蓋整個蛋糕?

該體積由一系列單位高度和半徑減小為1/n的圓柱體組成,所有體積相加即可輕鬆計算出整個蛋糕的體積

體積公式為:

這裡的和就是著名的巴塞爾問題,歐拉於1734年解決這個無窮級數

自然數平方的倒數和為

另一方面,表面積卻是無限的。通過添加圓柱曲面的面積可以很容易地看出這一點

其證明如下

如果體積沿x軸收縮,則環面塌陷為面積是π的單位圓

所以這種蛋糕的體積是有限的,但表面積是無限的。

但這個模型的意義遠不止於此,還包含更為深奧的數學原理,我們不在此作過多的敘述。

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