书城科普读物走进科学丛书:科学发现的探索
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第19章 极限的奥秘(2)

其实,这也没有什么不好办。只要你取糖的动作足够快,是可以在一分钟之内,把无穷多块糖全部取出来的。取的方法是,你取第一块糖用0.9分钟,取第二块糖用0.09分钟,取第三块糖用0.009分钟……你这样越取越快,把你取无穷多块糖所用的时间,加在一起就是0.9+0.09+0.009+…=0.999…=1。

结果,恰好等于1分钟。这说明一分钟是可以把无穷多块糖全取出来的。

这条线多长

有一条由半圆组成的波形曲线如图。已知最左边的半圆半径为0.9厘米,往右各半圆的半径,依次是它左边半圆半径的十分之一,即R1=0.9厘米,R2=0.09厘米,R3=0.009厘米,……

虽然说半圆的半径越来越短了,但是永远不可能等于零,问这条波形曲线有多长?

乍一看,这条曲线好像不会有确定的长度。究竟有没有?需要动手算一算。

我们知道半圆的周长是πR。假设整条波形曲线的长度为1,那么1=0.9π+0.09π+0.009π+…=π(0.9+0.09+0.009+…)因为0.9+0.09+0.009+…=0.999…=1所以1=π×1=π计算结果表明:这条无限振荡、不断伸长的波形曲线,它的总长等于π厘米!

给勇士平反

极限能帮助我们解决很多疑难问题。

前面讲到“飞矢不动”的诡辩,那位芝诺还提出过另外一个诡辩,叫做“阿溪里斯追不上乌龟”。

阿溪里斯是古希腊神话中的善跑的勇士。芝诺说,阿溪里斯尽管跑得非常快,但是他却追不上一只在他前面爬行的乌龟。这是怎么回事呢?

芝诺说,假设乌龟从A点起在前面爬,阿溪里斯从O点出发在后面追。当阿溪里斯追到乌龟的出发点A时,乌龟同时向前爬行了一小段——到了B点;当阿溪里斯从A点再追到B点时,乌龟又向前爬行了一小段——到了C点。依此类推,阿溪里斯每次都需要先追到乌龟的出发点;

而在阿溪里斯往前追的同时,乌龟总是又向前爬行了一小段。尽管阿溪里斯离乌龟的距离越来越近,可是永远也别想追上乌龟。

过去,许多人不知道怎样去驳倒芝诺。现在,有了极限的方法,就很容易戳穿他的谎言,把他彻底驳倒。

假定阿溪里斯的速度是10米/秒,乌龟的速度是1米/秒;乌龟的出发点是A,阿溪里斯的出发点是O,OA=9米。

当阿溪里斯用0.9秒跑完9米到了A点;乌龟在0.9秒的时间内,向前爬行了0.9米,到了B点。

阿溪里斯再用0.09秒跑完0.9米,追到了B点;乌龟同时又向前爬行了0.09米,到了C点。……

阿溪里斯一段一段地向前追赶,所用的总时间t和总距离s是t=0.9+0.09+0.009+…(秒)s=9+0.9+0.09+…(米)因为0.9+0.09+0.009+…=0.999…=1所以t=1(秒)s=10×(0.9+0.09+0.009+…)=10×1=10(米)计算表明,阿溪里斯只用了一秒钟,跑了十米路,就把乌龟追上了!

看来,阿溪里斯真要感谢极限了。要不是极限把问题给搞清楚了,他还要蒙受追上不乌龟的耻辱。

制作望远镜

我们来介绍极限在几何上的一个应用。

雨天骑自行车,车轮带起的雨水,是沿着车轮的切线方向飞出去的。

圆周上一点A的切线好求。联OA,过A作LA⊥OA,LA就是切线。科学研究的发展,迫切需要解决怎样作一般曲线的切线。

三百多年前,荷兰卖镜片的亨斯无意中发现,把一片老花镜和一片近视镜组装在一起,可以看清楚远处的景物,制成了第一架望远镜。

伽利略改进了望远镜,造出了能放大32倍的望远镜。他用这架望远镜,发现了月亮上的高山和谷地,发现了太阳上的黑子,发现了木星的四颗卫星。这一系列的发现,惊动了当时欧洲的科学界,许多科学家纷纷制作倍数更大的望远镜。

制作望远镜促进了光学的研究。原来,镜片的弯曲程度,直接影响着望远镜的放大倍数,而镜片弯曲程度的计算和设计,都要用到切线。

怎样求一般曲线的切线?人们曾经提出过许多方法。但是在这些方法中,都存在着一些不能令人满意的地方。后来,人们应用极限的思想,把切线看作是割线的极限位置,很好地解决了曲线的切线问题。

如图,当B点沿着曲线C向A点运动时,割线AB就以A为中心转动。在B点无限趋近A点的过程中,割线AB如果有一个极限位置L存在的话,那么,直线L就叫做曲线C在A点的切线。

认识无穷小

以零为极限的无穷数列很重要。

1,12,13,14,…

1,-12,14,-18,…

13,133,1333,…

-0.4,0.04,-0.004,0.0004,…这些数列的共同点是:越变绝对值越小,越变越靠近零。我们把这种绝对值越来越小,以零为极限的无穷数列叫做无穷小。

要是让无穷小的每一项都翻一个跟头,变成为它的倒数,就可以得到另外一种数列。你看,把上面四个无穷小翻一个跟头得到

1,2,3,4,…

1,-2,4,-8,…

3,33,333,…

-10.4,10.04,-10.004,10.0004,…这四个新数列的共同特点是:绝对值越变越大,充分靠后的项的绝对值,可以大到“你要多大有多大”,“你说多大,可以变得比你说的还大”。我们把这种无穷数列叫做无穷大。

无穷小和无穷大的数值相差很大,但是关系密切。无穷小翻一个根头,就变成了无穷大;无穷大翻一个根头,就变成了无穷小。

无穷小还和别的有极限的无穷数列特别要好,好到形影不离。凡是有极限的地方,总少不了无穷小。

无穷数列0.9,0.99,0.999,…的极限是1,伴随着它,有一个无穷数列0.1,0.01,0.001…很明显,这个数列的数值越变越小,以0为极限,是一个无穷小。

无穷数列1.9,2.01,1.999,2.0001,…的极限是2,伴随着它的无穷小是0.1,-0.01,0.001,-0.0001,…通过这两个例子,我们可以总结出一个数列有极限,求伴随它的无穷小的方法是:拿数列的极限,依次减去数列的每一项,就得到了这个无穷小。

请你求一求,伴随下面几个数列的无穷小:12,23,34,45,…的极限是1;

2,32,43,54,…的极限是1;

4,73,105,137,…的极限是32;

1,14,19,116,…的极限是0。

极限和无穷小的这种亲密关系,你可以自己动手画个图形来看就更清楚了。

你看,把等腰三角形ABC的底边AC分成8等份,作一个内接台阶形。台阶形的面积与ΔABC的面积的差,就是图上靠在两腰上的8个小三角形面积的和。

当我们把底边AC分成为16等分时,内接台阶形的面积就更接近ΔABC的面积了。也就是说,边上16个小三角形面积的和变得更小了。

当我们把底边AC分划的份数无限增多时,台阶形面积的极限就是ΔABC的面积。也就是靠两腰的三角形个数无限增加,而它们的面积的和是一个无穷小。

驳倒大主教

前面讲到牛顿从平均速度出发,正确地求出了瞬时速度。但是,他说不清楚Δt是不是零,以至被大主教贝克莱钻了空子,胡说Δt是什么消失了数量的“量的鬼魂”。有了极限,我们就可以驳倒贝克莱的谎言了。

牛顿求瞬时速度的方法,是先求出平均速度v=ΔsΔt;当Δt越来越小时,平均速度越来越接近瞬时速度。还是拿前面的航船作例子,s=t2,Δs=4Δt+(Δt)2,平均速度v=ΔsΔt=4+Δt。

我们可以给Δt-串越来越小的数值:Δt=1秒,0.1秒,0.01秒,0.001秒…相应地得到平均速度v的一串数值:v=5米/秒,4.1米/秒,4.01米/秒,4.001米/秒…随着Δt越来越接近于零,平均速度v越来越接近4米/秒。它可以近到“你要多近有多近”,“你说多近,可以近到比你说的还近”。这就是说,4米/秒是平均速度的极限。

那么,Δt究竟是不是零呢?

从Δt的变化过程,我们可以清楚地看出,虽然Δt的值越来越小——1,0.1,0.01,0.001,…但是它始终不等于零,所以我们求平均速度时,可以放心地拿Δt去除Δs,这样,平均速度ΔsΔt总是有意义的。

在Δt趋近于零的过程中,瞬时速度是平均速度的极限。这就是说,在取极限过程中,Δt始终没有取零。所以,不用担心会出现Δt=0这个不合理的步骤。

由于极限的结果与令Δt=0的结果完全一样,所以,牛顿能正确地求出瞬时速度的数值。在牛顿求瞬时速度的时候,极限的思想和方法还没有很好地建立起来,他只从结果上考虑,令Δt=0,造成了理论上的缺欠,让贝克莱钻了空子。

从极限角度看来,Δt是一个无穷小,以零为极限。

小扇形问题

开普勒一开始就把圆分割成无穷多个小扇形,正确地求出了圆面积。但是他说不清楚,每个小扇形的面积是不是零。

从极限角度来看,在开普勒对圆进行细分的过程中,得到了一串越来越小的小扇形面积,这些小扇形的面积,组成的数列是一个无穷小。它本身不是零,而是以零为极限。

当开普勒把小扇形换成为小三角形以后,小三角形面积的和,就是圆面积的近似值了。小扇形越小,相应的小三角形也越小,它们相差得也越小。这样,小三角形面积的和,也就越接近圆面积了。

在细分圆的过程中,小三角形面积的和组成了一个无穷数列,圆面积就是这个无穷数列的极限。

卡瓦利里用“不可分量”的方法求面积和体积遗留下来的问题,也同样可以用极限把它说清楚。