芝诺悖论之阿基里斯与龟问题

故事:

阿基里斯是古希腊神话中身手矫健并且善跑的英雄,在一次阿基里斯与乌龟赛跑的比赛中(设A为起点),乌龟被允许先出发;当阿基里斯起跑时,乌龟已经抵达路途中的某处(设为B点)。因为阿基里斯跑的很快,他很快就到了B点,而这时,乌龟已经又向前移动了一点距离到了C点,当阿基里斯跑到了C点,乌龟已经爬到更远的D点,以此往复,尽管阿基里斯一直在追赶乌龟,他们之间的距离也在逐渐缩短,但阿基里斯却永远都追不上乌龟。

上面芝诺提出的问题,看似合理,但根据我们的生活常识,我们知道它是个悖论,但又说不出来哪里不合理。问题的关键在于,当时的人们并不知道一个物理公式,速度=距离/时间。

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A       B    C   D  E  F

原理:

在故事中一次次循环的每一个阶段中,B→C,C→D,…,逐步递减距离的同时,时间间隔也在减少,而无穷多个步骤不对应无限长的时间,所以这个是悖论的关键问题所在,解决这个问题的办法,就是用数学上的几何级数。 1+1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+…,将下面的小数一直加下去就会越来越接近2。我们应当考虑每阶段阿基里斯与乌龟之间逐渐递减的距离,而不是两者的个别位置。由于他们各自以不同的等速度前进,两者之间的距离也已等速逐渐减少。

应用到阿基里斯追乌龟的问题上,假如阿基里斯速度是10m/s,乌龟速度是1m/s,乌龟在前面100m。实际情况是阿基里斯必然会在100/9秒之后追上乌龟。按照悖论的思路,5秒之后两者的速度会减半,再过两秒半再减半,再过已有四分之一秒之后再减半,循环下去。当我们将这些逐步递减的时间间隔中逐步递减的跑步距离累加起来,还是会得到10秒之后超过乌龟的结果。而这10秒正是无穷级数的总和,5s+2.5s+1.25s+0.625s+…累加起来,直到下一个累加的分数小道让我们原因停下来为止。

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