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怎么理解芝諾悖論?

 宣城華廈圖書館 2018-04-26

芝諾是古希臘數(shù)學(xué)家,提出了一系列悖論以反駁時間和空間的連續(xù)性和變化問題,比較有名的有追烏龜和飛矢不動兩個。

古希臘傳說中有一位跑的最快的英雄阿基里斯,海洋女神忒提斯和英雄珀琉斯之子。在阿基里斯出生后,忒提斯捏著他的腳踝將他浸泡在冥河斯堤克斯中,使他全身刀槍不入,惟有腳踝被忒提斯手握著,沒有浸到冥河水,是他唯一的弱點。在特洛伊戰(zhàn)爭中被敵人射中腳踝而死。


有一天,阿基里斯遇到了一只烏龜。烏龜對阿基里斯說:別看你跑得快,你永遠(yuǎn)也追不上我。阿基里斯問為什么呢?烏龜說,你看:

如果阿基里斯在A處,烏龜在B處,同時出發(fā)。阿基里斯要追上烏龜,首先要追上烏龜先跑的一段AB,但是在這段時間烏龜也在向前跑,當(dāng)阿基里斯到達(dá)B處時,烏龜已經(jīng)跑到了C處,還沒有追上。雖然此時BC的距離小于AB的距離。

阿基里斯會繼續(xù)跑BC這一段,但是這段時間烏龜也沒閑著,跑到了D處,雖然CD小于BC,但是阿基里斯還是沒有追上烏龜。

以此類推,阿基里斯和烏龜之間的距離只能不斷縮小,但是永遠(yuǎn)都不會變?yōu)榱?。綜上所述,阿基里斯永遠(yuǎn)追不上烏龜。


這個悖論的詭辯之處在于:芝諾將一個追及過程分割成無限多份,但是這無限多份的時間和距離之和是有限長。


為了解釋這個問題,我們把追及過程畫在一個數(shù)軸上,并且假設(shè)AB之間距離為L,方便起見,設(shè)阿基里斯的速度等于兩倍烏龜速度。

這樣一來,相同時間內(nèi)阿基里斯運(yùn)動的距離就是烏龜?shù)膬杀丁K园⒒锼棺哌^AB時,烏龜走過的BC段距離為L/2,阿基里斯走過BC時,烏龜走過的CD段長度為L/4...


如果阿基里斯要追上烏龜,需要追及無線多段,將這無限多段加和

我們會發(fā)現(xiàn),隨著段數(shù)的增加,這個距離約來越接近2L。如果只有兩項,那么與2L相差L/2;如果有3項,與2L相差L/4,如果有4項,與2L相差L/8...如果有無窮多項,阿基里斯走過的總距離就等于2L。

同樣的,設(shè)阿基里斯走過AB段的時間為t,則總時間T等于

芝諾把一段有限的時間和距離分割成了無限多份,是不能得出追不上的結(jié)論的。


實際上芝諾的這種做法類似于微積分,將一個過程無限分割,再進(jìn)行累加,這恰好是微積分的基本思想。分割無限多份后越往后的小段時間和空間越小,稱之為無窮小。牛頓和萊布尼茨提出微積分后,人們發(fā)現(xiàn)了微積分的重要應(yīng)用,解決了許多數(shù)學(xué)和物理的問題。

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