登陆注册
14565400000019

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。

同类推荐
  • 低碳有你:有你,有我,地球更精彩

    低碳有你:有你,有我,地球更精彩

    《低碳有你——有你有我地球更精彩》旨在引导新时代的青少年一起行动起来,为了我们共同的家园,用自己的实际行动把生活耗用能量降到最低,从而减少二氧化碳的排放,实现绿色低碳生活。低碳生活是一种态度,也是一种责任,更是一种爱,让我们的爱更宽广,更包容,更细致吧。
  • 做个绿色小天使

    做个绿色小天使

    地球上的绿色植物是一座巨大的宝库,亿万年来它不仅装点着我们的美丽星球,更为其他生命的出现及进化提供了叹为观止的能源财富,也正是因为绿色资源的存在,地球上的生物才最终进化出生命的最高主宰——人类,而绿色植物又继续为人类的衣食住行提供着最为丰实的物质基础!遗憾的是,上百万年来位于食物链最高端的人类对地球植物的掠夺性开发不仅使绿色能源日渐减少,更使那葱郁的景色逐渐淡出自己的视野,大量物种的消失、水土流失的严重以及沙尘暴的肆虐终使人类开始警醒:绿色,对于整个星球的重要意义所在!
  • 别让春天说寂寞

    别让春天说寂寞

    地球的春天应该是满眼绿色、鸟语花香,人类对自然的改造和设计,看起来似乎十分完美,但与大自然的精密“安排”相比,总是显得那么简单和粗糙。绿色日渐消失,荒漠日渐扩大,鸟儿渐远的歌唱,花香也只存在于*记忆中..发展不应该以牺牲环境为代价,人类不应该因为我们自己的某种欲望而破坏我们生存家园的模样!不要让因环境因素的变化而导致生态系统的严重灾难。让*地球远离“没有鸟语花香的寂静的春天”,我们一定不要让春天说寂寞!
  • 节俗知识

    节俗知识

    我国地域辽阔,民族众多,生活习俗差异很大,所谓“五里不同俗,十里不同风”,但尽管风俗不同,节俗却有很强的兼容。《节俗知识》一书为你详细介绍了众多非常独特、有趣的民族节俗,书中语言简洁,文字清新,内容丰富,知识广博。
  • 扑朔迷离的化学宫殿(新编科技大博览·B卷)

    扑朔迷离的化学宫殿(新编科技大博览·B卷)

    现代社会的飞速发展很大程度上得益于科技的进步,“科技是第一生产力”已日益成为人们的共识。但是,由于现代科学的分工越来越细,众多的学科令人目不暇接。对于处于学习阶段的广大青少年而言,难免有“乱花渐欲迷人眼”的困扰。有鉴于此,我们组织了数十名在高等院校、教育科研机构工作、有着丰富的青少年教育的专家学者,编选了这套《新编科技大博览》。
热门推荐
  • 妖孽鬼王的俏妃

    妖孽鬼王的俏妃

    她是现代酒吧的艳舞女郎,洁身自好,一朝穿越成代嫁替妃。任人宰割?受他人摆弄?笑话,她是谁,应该是她解剖人才对嘛!辱骂鬼王,解剖黑豹,揪打小三……噶,某王爷甘愿被她解剖?苏可可理直气壮道:“王爷,我不解剖您啦,我解剖鸭去……”
  • 越光宝盒

    越光宝盒

    《月光宝盒》中至尊宝和紫霞仙子的爱情感染了仙界的玫瑰仙子。为觅如意郎君,玫瑰偷取了紫青宝剑私下凡间,失足落水被山贼清一色救起。玫瑰醒来以为是清一色拨开宝剑,认定他是自己的真命天子,展开一场求爱大战。清一色到处躲避,却无意间陷入与牛魔王、盲炳和菩提老祖的混战,并在机缘巧合下得到了月光宝盒。清一色情急之下念动咒语,瞬间被卷入时空隧道之中。再睁眼时,清一色发现自己被卷入了三国中的赤壁之战、而自己也摇身一变成了大将军赵子龙,玫瑰则不死心地追随而至。当山贼清一色同上仙界花痴玫瑰仙子,当一个不相信真爱的男人遇上对爱情坚贞不二的女子,当一个山贼摇身变成传奇英雄,故事才刚刚开始……
  • 神武剑皇

    神武剑皇

    紫极元身,拥有之人受尽上天眷顾,让漫天神魔为之嫉妒。可惜世上没有免费的午餐,要铸造此等神躯,必须有人甘愿牺牲,用自己身体为鼎,以自己千秋万世绵绵无尽的痛苦为代价,才能替他人铸就。转伦剑,受尽诸天神魔诅咒的不祥之剑,有着毁天灭地的威力,可将永恒不死的神魔送入轮回。但因为剑上承载的神魔诅咒实在太重,拥有之人都会受尽无数苦难,死于非命,且死状凄惨。问天何极?问地何寿?一曲古老苍凉的问天阙歌,自混沌初开,天地间的无尽黑暗中生出第一缕光明以来就已存在,可惜,却无人能解其中奥秘三者同时归一,会铸造何等令天地星辰崩猝的传奇。
  • 剑破异界

    剑破异界

    一人一剑破苍穹。问。这天,挡我。一剑破之。这地阻我。碎之。我必逆天。
  • 未来系统之女神守护者

    未来系统之女神守护者

    一夜醒来,李煜被融合了微信的未来系统附身。从此踏上女神守护者的旅途。糟糕的过去向他挥手告别,而一大波女神正努力向他招手。
  • 总裁宝贝小小后妈养成记

    总裁宝贝小小后妈养成记

    一纸婚约,把俩个平行线上的恨婚人绑到了一起.她韩暄妍23岁,貌美如花,才高八斗,大学老师,一失足成了六岁孩子的妈.他楚凌睿33岁玉树临风,雷厉风行冰男人一枚.他们之间又会发生什么趣事呢?"儿子,起床上学了""不许这么叫""我有叫你么?跟那冰山一个德行""你在说谁""谁在说话就在说谁喽""你,,,,"这每天都有新鲜事出现,“后妈,你说你又没有前又没有后,怎么勾引我爹地?怪不得,我爹地不回家”“你儿子说我没前没后,,”"是吗?我来摸摸,好证实一下,,""啊,,,流氓"
  • 芊晶方

    芊晶方

    芊芊女子唯晶永恒
  • 大山里

    大山里

    《大山里》故事背景定格于上世纪八十年代末期,讲述的是发生在我国北部地区某山村里的人物故事,本书以魔幻现实主义手法将山村里的人物生活形态展现的淋漓尽致。上世纪八九十年代正是农民工纷纷进城的高潮期,一批又一批的农民工来到了惊奇新鲜的大城市,城市人口迅速暴涨起来,而那些原本清幽祥和的农村迅速几乎变为了空城,除了一些老弱妇孺外,很少看到几个人影,除了雀跃鸡鸣狗吠外,很少听到几丝声音。在外边打拼的还算不错的相继回来携带家眷络绎进城,只有那些体弱伤残者继续留守在这篇熟悉而又沧桑的故土之上,无意间、无形之中,这又生出了几分离别,斩断了几根情思,多出了几份伤感!
  • 灵欲

    灵欲

    我叫柳玉茹,是前天死的,也许是我的意志力和求生欲望都特别的强,因此我的灵魂波一直没有消散,我生前,正在研究七星连珠对地球的影响,而我这两天虽然感觉到身体流失,可并不多,我猜想,可能与七星连珠有关……
  • 天尊独宠小顽妻

    天尊独宠小顽妻

    他天尊一手遮天她异世魔女当他们相遇会擦出什么样的火花,,,尽情期待。