据传,阿基里斯(Achilles)是古希腊神话中善于行走的神,他走的速度很快,即使是世界上跑得最快的人也没法与他相比。
古希腊有一位哲学家叫芝诺(Zeno of Elea),他的学生们都对他推崇备至,认为他对天下之事无所不知,无所不晓。然而有一天,芝诺在给学生上课时却提出了这样一个断言:阿基里斯是跑得很快的,可是,若让他与乌龟一起赛跑,却永远不能追上一只慢慢爬行的乌龟。
听了老师的讲话,学生们个个感到惊奇和意外。阿基里斯与乌龟赛跑,那是轻而易举就可追上乌龟的,这是众所周知的事实,可知识渊博的老师怎么会说出这样的奇谈怪论呢?难道老师连起码的常识都忘了吗?学生们都不解地望着老师,一位学生终于大胆地提出了存于心中的疑问:“老师,您能告诉我们为什么阿基里斯追不上乌龟吗?”
芝诺回答道:“这个问题我自己也一直没能够解决。”
学生们更加奇怪了,大家你看看我,我看看你,谁也不明白老师今天上课的用意何在,芝诺也是一副陷入沉思的样子。
过了许久,芝诺抬起头来,他终于答应把自己的研究了很长时间的问题讲述给学生们。
为了方便起见,我们假设阿基里斯与乌龟赛跑时阿基里斯的速度是每小时行走10千米,而乌龟的速度是每小时爬1千米。比赛是在对双方都很公平的条件下进行的,并且阿基里斯在乌龟后面10千米。比赛开始时,二者同时出发,乌龟在前面爬,阿基里斯在后面追。这样的话,问题就出来了。
1小时以后,当阿基里斯走了10千米,到达乌龟原来出发的位置时,乌龟又爬到前面1千米的地方;
1/10小时以后,阿基里斯追了1千米,乌龟又向前爬了1/10千米;
1/100小时以后,阿基里斯追了1/10千米,乌龟又向前爬了1/100千米;
……
如此下去,阿基里斯与乌龟之间的距离虽然越来越接近,但阿基里斯却永远追不上乌龟。
芝诺讲到这里,他的学生们却个个都愣住了。他们心里都明白老师的说法是错的,是与常理相悖的,但谁也无法指出他错在哪里,就连芝诺自己不都说了还在研究吗?
其实,这是芝诺在作诡辩,这也就是后人所称的著名的“芝诺悖论”,它的提出促使了人们对无穷小量的研究,甚至引起了一场数学观念上的革命。因为当时的数学家们认为,无限多个很小的量的和必定为无限大。而在芝诺悖论中,芝诺巧妙地钻了空子,把有限长的线段分成了无限多个很小线段的和,把有限的时间可以完成的运动分成了无限多段很短的时间来完成。后来,人们终于弄清楚,无限多个很小的量的和未必一定是无限大,而可能是有限的。
在上面的芝诺悖论中,用我们现在的根限知识是很容易揭穿这一诡辩的。阿基里斯追乌龟时,走完第一段路程需要1小时,走完第二段路程需1/10小时,走完第三段路程需1/100小时,……,这样,追上乌龟共需的时间为
1+1/10+1/100+…=1.11…=10/9 (小时)
而这是一个有限数,说明阿基里斯追上乌龟只需要10/9小时,这对阿基里斯来说自然是很快的了。需要说明的是:利用高中无穷递缩等比数列的知识,还可以作严格的推论。