为什么跑得最快的人永远追不上乌龟?第二次数学危机是什么

今天我们的故事从古希腊的一位英雄阿基里斯说起。

理解这里的英雄我们还要按照古希腊的风俗习惯

  • 神和神的孩子称为神

  • 人和人的孩子称为人

  • 神和人的孩子称为英雄

 

阿基里斯作为一名英雄有着两个鲜明的特点

  •  跑得快,古希腊没有人能跑过他

  •  刀枪不入,但脚后跟有一个小弱点

 

也是因为这么一个小弱点,在特洛伊战争中,被太阳神阿波罗一箭射死。

但这并不是阿基里斯最悲惨的事情,而是另外一个特点引起的挑战。



阿基里斯和小乌龟

一天,一只乌龟翻山越岭来找阿基里斯说

我是跑得最快的乌龟,别人都说你是跑得最快的人,但你永远追不上我,不过你号称是跑得最快的人,你得先让我领先你1000米。


还没等阿基里斯回话,乌龟又说到

  • 你要追上我就得先跑完这1000米,在你跑完这1000米的时间,我又前进了100米,这时我俩又会存在100米的距离


  • 而你还想追上我,就得先跑完这100米的距离,在你跑完这100米的时间,我又前进了10米,这时我俩又会存在10米的距离


  • 要是现在你还想追上我,就得先跑完这10米的距离,在你跑完这10米的时间,我又前进了1米,这时我俩又会存在1米的距离

  •  ...

 

你只能无限的接近我,却永远追不上我。

听完乌龟的一番论述,比赛还没开始,阿基里斯就认输了。


不过第二天又来了一只小乌龟,这只小乌龟说到

就算我不跑你也永远追不上我,不过你号称是跑得最快的人,你要先让我领先你64米。

 

说完了这句,小乌龟又接着说到

  • 你要追上我,就得先跑完一半的路程也就是32米,这时我俩又会存在一个新的距离32米


  • 而你还想追上我,就得再跑完一半的路程也就是16米,这时我俩又会存在一个新的距离16米


  • 要是你还想追上我,就得再跑完一半的路程也就是8米,这时我俩又会存在一个新的距离8米

  • ...


你只能无限的接近我,却永远追不上我。

阿基里斯一想确实是这么一回事,比赛还没开始,阿基里斯又认输了。


无穷小

那么阿基里斯到底追不追得上乌龟呢?我们就第一只乌龟进行理解

  • 阿基里斯所跑路程S=1000+100+10+1+0.1+0.01+0.001+...


  • 阿基里斯所用时间T=t+1/10·t+1/100·t+1/1000·t+1/10000·t...(t为跑完1000米所用时间)


这里的路程和时间都满足“等比数列”前n项和公式,整理得

所以小乌龟的说法并不正确

时间和空间虽然可以分割成无限多份,但这无限多份加起来并不是一个无限长的时间和空间。

 

阿基里斯输给小乌龟,是输在理论基础没打牢,那时他还不知道什么叫做无穷小。



微积分

时间来到了十八世纪初,这时出现了两位数学家莱布尼茨和牛顿。


他们各自独立发明了一个让理科生沉默、文科生流泪的微积分。

 

但是这并没有限制微积分的发挥

  • 下至航海,可以计算不同地形的面积

  • 上至天文,可以预测天体运动的位置

 


贝克莱

那时候就一个名叫贝克莱的人跳了出来,说微积分其实就不该出现。


但贝克莱并不是为了减轻我们学习的压力,而是为了保护大主教免遭科学的攻击。


贝克莱说微积分当中有个重要基础概念——导数,就是错的,你们只是依靠双重错误得到一个正确结果而已。

导数的概念:当函数y=f(x)的自变量x在一点x0上产生一个增量Δx时,函数输出值的增量Δy与自变量增量Δx的比值,在Δx趋于0时的极限a如果存在,a即为在x0处的导数,记作f'(x0)


贝克莱指出Δx(无穷小)到底是不是0

  •  Δx是0的话,那它怎么能做分母

  •  Δx不是0的话,怎么能说成某点的导数,这已经不是一个点了



柯西

科学一路走来,微积分的实用性大家都有目共睹,但要筑成高楼大夏,基础就得牢固。


为此科学家们不断严格定义着“无穷小是不是0”这一说法,从而使微积分的基础变得坚实。

其中以柯西为首定义的“无穷小是以0为极限的变量”为我们普遍所接受。

微积分也因,经过此番磨难,修炼得更为系统化、完整化,成为一位十八世纪数学界的英雄。


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