这是数学家芝诺提出的一个悖论:古希腊有一位跑得很快的神,名叫阿基里斯。让阿基里斯与乌龟赛跑,他永远也跑不过乌龟。 假如阿基里斯的奔跑速度是10m/s ,乌龟的爬行速度是1m/s。先让乌龟呆在阿基里斯的前面100m处。发令枪响,比赛开始后 阿基里斯跑到乌龟原位置时,过去了10秒钟,这段时间里乌龟向前跑了10m。 阿基里斯再次跑到乌龟原位置时用时1s,而这段时间乌龟向前跑了1m。 像这样继续下去,阿基里斯每次跑到乌龟原位置时,乌龟都向前跑了一段路程,这样,阿基里斯就永远追不上乌龟。 很明显,芝诺的这个悖论是违背常理的,因为一个跑得快的人肯定能够追上跑得慢的。问题出在哪儿呢? 如果我们把每次阿基里斯追到乌龟原位置都算作一个时间段。那么这些时间段加起来是 问题在这里:即使做无穷多次加法,结果也并非无穷大。即所说的这个无穷级数是收敛的。这个等比数列的和很容易求得,它的极限是100/9 s,也正好等于距离(100m)除以速度差(10m/s - 1m/s)的结果。 再来分析追及的过程:阿基里斯每次跑到乌龟处时,乌龟都向前移动了一个距离,重复进行,这个距离也就越来越小,直至趋向于0——但是,这个过程只发生在从起跑后的100/9s之间——如果要问这之间进行了多少次这个重复?答案是无穷多次。在一个有限的时间进行了无穷多次的某过程,数学在这里又有了违背常识的感觉。在100/9s的时刻,阿基里斯和乌龟处于同一个位置,这之后,他就超越了乌龟。 可以归纳一个通用的公式
d是初始距离,v1和v2分别是后者和前者的速度
- 当v2<v1时,该无穷级数是收敛的,即跑得快的在后面追一定能追上;
- 当v2≥v1时,该无穷级数是发散的,即跑得慢的在后面不能追上,跑得一样快的也无法追上,这也符合常理;
从上面的悖论中,我们可以从另一个角度来看追及问题,即能否追得上,取决于追及所用的时间是无穷大,还是一个确定的值。此外,两个反常识的数学事实是:
- 无穷个数加起来并不是一定无穷大,即使你要用无穷的时间来计算这个加法。
- 有限的时间内可以进行无限多次事件。
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