在數學的世界裡,有一隻博爾特也追不上的小烏龜

2021-01-21 辰辰學園

眾所周知,博爾特是當今世界跑得最快的人。他是三屆奧運會男子100米,200米的冠軍,也是世界紀錄的保持者。對於他的奔跑實力,沒有人會提出質疑。而烏龜是一種行動緩慢的兩棲動物,它在陸地上的爬行速度更是「舉世公認」的慢,因此被稱為「龜速」。那麼這裡辰辰老師就想問一個問題:博爾特和烏龜誰跑得快呢? 當然是博爾特快。大家可能都認為,這個問題簡直無聊到了「腦殘」的程度。

博爾特

但是辰辰老師卻說,在數學的世界裡,這個問題還真的不一定。下面我們就讓博爾特和小烏龜進行一場比賽。我們讓博爾特站在起跑線上,因為雙方的實力相差過於懸殊,我們讓小烏龜先跑10米,站在距離起跑線10米遠的地方。這裡假定博爾特因為對手實力太弱,沒有盡全力,因此速度為10米/秒;而小烏龜已經使出了吃奶的勁,所以速度達到了「驚人的」1米/秒。這樣看來,博爾特應該是輕鬆完勝小烏龜的。

但是我們來看一下具體過程,如果博爾特想追上小烏龜,必須先到達小烏龜的出發點。當他用1秒鐘時間到達小烏龜的出發點時,小烏龜已經向前爬行了1米;當博爾特用0.1秒追上這1米時,小烏龜又向前跑出了0.1米以此類推,博爾特雖然可以無限接近小烏龜,但卻始終在小烏龜出發點的後邊,永遠無法追上小烏龜。也就是說,每當博爾特要追上小烏龜的時候,小烏龜都會再向前邁出一點,拉開他們之間的距離。這就是古希臘哲學家芝諾的四悖論中,最負盛名的「阿基利斯悖論」(阿基利斯是希臘神話裡著名的神行太保,這裡我們把阿基利斯換成了博爾特)。根據我們的生活經驗,上面的情況純屬無稽之談,在現實中永遠不會發生。但數學是將我們現實中的問題邏輯化、符號化,因此這一悖論的出現,在數學領域其實帶來了巨大的危機。許多哲學家、數學家都一直嘗試破解這個悖論。

柏拉圖

古希臘哲學家柏拉圖認為,芝諾其實繞了個圈,玩了一個文字遊戲:他利用了人們傳統認知裡時間空間無限可分,卻又恰恰喜歡將緊密相連的各部分分開考慮的誤區,用時空的連續性戲弄了人們。可是,缺乏強有力的數學工具,柏拉圖明知道自己受了騙,傳統慣性思維還是讓他如遭遇「鬼打牆」一般,只能隨著芝諾繞彎,卻不能從中脫身。

黑格爾

直到19世紀,哲學家黑格爾用辯證的觀念研究了芝諾悖論,從而為解決它指明了一條光明大道。黑格爾認為,如果把運動理解為物體在某一時間在某一地點,另一時間在另一地點,這只是表明了運動結果,而沒有表明它本身。他說:「某物之所以運動,不僅因為它這個此刻在這裡,另一個此刻在那裡,而且因為它在同一個此刻處在這裡又不處在這裡,因為它同時又在又不在同一個這裡。」「運動就是存在著的矛盾本身。」根據黑格爾的辯證思想,儘管在一段時空裡,時空表現出間斷性,但是空間是運動的基礎,它是具有連續性的。當阿基裡斯從一個斷點到另一個斷點時,他既在又不在這個斷點,因此他不會受這個點的阻擋,可以連續地一次追上烏龜。可以說,芝諾的時空觀是一條點構成的軌跡,要想到達下一個點,就必須經過前一個點;而黑格爾的時空觀更像是一條直線穿過一個個斷點,儘管斷點確實存在,但它不會阻礙直線的延伸,直線可以一次性到達一個點,而不必拘束於是否通過了它之前的點。而這種時空與空間連續性與間斷性的統一,反映在數學上就是無限與有限的統一。隨著極限思想的導入,芝諾悖論也就迎刃而解了。

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    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。
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    阿基裡斯追前面的一隻烏龜,阿基裡斯的速度大於烏龜的速度。雖然每次追趕的距離越來越小但是這個過程卻是可以永遠的進行下去的因此阿基裡斯永遠追不上烏龜乍一看呢,說的還挺有道理仔細一想呢,不對啊,我們去追烏龜不可能追不上的啊那麼,阿基裡斯真的追不上烏龜了嗎?
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    且聽他的推理——假設賽跑開始的時候,烏龜在阿基裡斯前方100米,並假設阿基裡斯的速度是烏龜爬行速度的10倍。當阿基裡斯跑了100米到達烏龜原來所在的位置時,烏龜已又向前跑了10米。當他再跑完10米去追趕烏龜時,發現烏龜還在他前面1米。他再跑1米,烏龜還在他之前10釐米。如此下去,阿基裡斯似乎只能一次次到達烏龜所經過的地點,而永遠也追不上烏龜。
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    這個問題一看便是不切實際的,一個擅長跑步,一個是速度極慢的烏龜,人怎麼會跑不贏呢?這是因為當阿基裡斯要追上烏龜時,就首先要跑到未起跑時烏龜所在的位置,而當他跑到烏龜的起始位置時,不論阿基裡斯的速度有多麼快,烏龜在這段時間又向前跑了一段路程,如此循環下去,阿基裡斯與烏龜的距離越來越近。
  • 你覺得你能追上一隻烏龜嗎?盤點歷史上有趣的悖論!
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    阿基裡斯追烏龜的故事,相信很多朋友聽過,如果您沒聽過沒關係,我再簡單介紹下這個數學難題。其實就是講有一個人叫阿基裡斯,他是一個跑步冠軍,跑的特別快。然後有一天阿基裡斯和烏龜來了一場賽跑,如果是公平競爭,顯然烏龜不是阿基裡斯的對手,所以比賽是建立在一個不太公平的基礎之上。