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龟兔赛跑的故事想必大家小时候都听说过,现在幼儿园的孩子也能给你说得头头是道。故事情节简单,乌龟和兔子为了争夺跑步冠军决定比赛,其他的动物都觉得乌龟有点傻,它的速度怎么可能比得上兔子。兔子心中也觉得乌龟是自不量力,心中难免有些轻敌。比赛开始时,兔子飞速奔跑,将乌龟甩在了身后。乌龟也不着急,慢吞吞地爬。
兔子快跑到终点的时候回头一看,发现乌龟还是没有追上来,于是它便决定睡一觉,起来再跑,相信等它睡醒之后乌龟依旧没有追上来。结果却让它傻眼了,一觉醒来,乌龟已经到终点了,兔子成了笑柄。我们先不去看这个故事的过程,只看结果,结果就是乌龟赢了比赛,它跑得比兔子快。抛开童话故事的限制,有没有一种乌龟跑得比短跑运动员还快?有的。
这只跑得比短跑运动员还快的乌龟叫做芝诺龟,它不存在现实中,只在理论中,是只谜一样的乌龟。它是古希腊数学家芝诺提出来的一个数学悖论,古希腊神话中有个叫做阿克琉斯的家伙,他跑得特别快,搁现在他就是博尔特。芝诺就以他为例,提出了芝诺龟。假设阿克琉斯和乌龟比赛跑步,乌龟的起跑点在阿克琉斯前面100米,阿克琉斯的速度是乌龟的10倍。那阿克琉斯跑完100米的时候,乌龟才跑10米,他们之间的距离也从100米缩短到了10米。
阿克琉斯再跑10米,乌龟才跑了1米。阿克琉斯再跑1米,乌龟才跑了0.1米。而以这样的速度跑下去,阿克琉斯看上去是永远也追不上这乌龟了,两者之间始终有间距存在。当芝诺提出来芝诺龟的时候,不知道有多少人傻眼了,这乌龟有这么厉害吗?柏拉图觉得没有,他表示这悖论就是在玩文字游戏,还足够高明。你让阿克琉斯一直以最初的一秒跑10米的速度跑步,他怎么可能追不上乌龟?
事实上柏拉图说的没有错,芝诺悖论从逻辑思维上来说,有耍小聪明和玩文字游戏的嫌疑。但是从数学角度来说,这悖论没这么简单。当时也确实难住了很多数学家,数学家们想要证明它,需要用到一个已知的数学定理,不然没办法下手。芝诺恰恰就是钻了这个空子,当时还没有微积分出现,数学家们知道这讨厌的乌龟有问题,但没办法证明它不对。
闲云带大家来看下芝诺悖论,从逻辑上来说,芝诺悖论并没有什么缺陷,关键就在于我们都知道阿克琉斯是可以追上乌龟的,为什么按芝诺悖论的逻辑就追不上?这是因为理论本身和我们看待此事用的是不同的时间参照物,芝诺龟中的时间体系是分散的,芝诺故意用文字将时间划分成一个个细小的时间区域。
每个细小的时间区域过完,阿克琉斯和乌龟都运动了一段距离,这就给我们造成了阿克琉斯永远无法追上乌龟的错觉。而且在芝诺的设定中,就没考虑过两者之间的距离达到0的情况,只会不断缩小,却无法变成0。
想要破解芝诺悖论的关键就是要看破它的时间体系,不能被芝诺高明的文字游戏给绕糊涂了。划分出来的零散时间段只在理论中,它们加起来其实就是1秒。微积分一问世,芝诺龟便不攻自破了,它是专门用来研究“无限趋近”的数学工具。
不过也有人认为,芝诺悖论站不住脚跟,它都称不上是悖论,因为这理论没有考虑到空间,只侧重于时间概念,还故意模糊了时间概念。也难怪柏拉图看不上,到了近代,黑格尔却认为芝诺悖论包含了辩证法的思想,称芝诺是辩证法的创始人。
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