第24章 數學大發現(4)(1 / 3)

我們知道半圓的周長是πR。假設整條波形曲線的長度為l,那麼l=0.9π+0.09π+0.009π+…=π(0.9+0.09+0.009+…)因為0.9+0.09+0.009+…=0.999…=1所以l=π×1=π計算結果表明:這條無限振蕩、不斷伸長的波形曲線,它的總長等於π厘米!

給勇士平反

極限能幫助我們解決很多疑難問題。

前麵講到“飛矢不動”的詭辯,那位芝諾還提出過另外一個詭辯,叫做“阿溪裏斯追不上烏龜”。

阿溪裏斯是古希臘神話中的善跑的勇士。芝諾說,阿溪裏斯盡管跑得非常快,但是他卻追不上一隻在他前麵爬行的烏龜。這是怎麼回事呢?

芝諾說,假設烏龜從A點起在前麵爬,阿溪裏斯從O點出發在後麵追。當阿溪裏斯追到烏龜的出發點A時,烏龜同時向前爬行了一小段——到了B點;當阿溪裏斯從A點再追到B點時,烏龜又向前爬行了一小段——到了C點。依此類推,阿溪裏斯每次都需要先追到烏龜的出發點;而在阿溪裏斯往前追的同時,烏龜總是又向前爬行了一小段。盡管阿溪裏斯離烏龜的距離越來越近,可是永遠也別想追上烏龜。

過去,許多人不知道怎樣去駁倒芝諾。現在,有了極限的方法,就很容易戳穿他的謊言,把他徹底駁倒。

假定阿溪裏斯的速度是10米/秒,烏龜的速度是1米/秒;烏龜的出發點是A,阿溪裏斯的出發點是O,OA=9米。

當阿溪裏斯用0.9秒跑完9米到了A點;烏龜在0.9秒的時間內,向前爬行了0.9米,到了B點。

阿溪裏斯再用0.09秒跑完0.9米,追到了B點;烏龜同時又向前爬行了0.09米,到了C點。……阿溪裏斯一段一段地向前追趕,所用的總時間t和總距離s是t=0.9+0.09+0.009+…(秒)s=9+0.9+0.09+…(米)因為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)計算表明,阿溪裏斯隻用了一秒鍾,跑了十米路,就把烏龜追上了!

看來,阿溪裏斯真要感謝極限了。要不是極限把問題給搞清楚了,他還要蒙受追上不烏龜的恥辱。

製作望遠鏡

我們來介紹極限在幾何上的一個應用。

雨天騎自行車,車輪帶起的雨水,是沿著車輪的切線方向飛出去的。

圓周上一點A的切線好求。聯OA,過A作LA⊥OA,LA就是切線。科學研究的發展,迫切需要解決怎樣作一般曲線的切線。

三百多年前,荷蘭賣鏡片的亨斯無意中發現,把一片老花鏡和一片近視鏡組裝在一起,可以看清楚遠處的景物,製成了第一架望遠鏡。

伽利略改進了望遠鏡,造出了能放大32倍的望遠鏡。他用這架望遠鏡,發現了月亮上的高山和穀地,發現了太陽上的黑子,發現了木星的四顆衛星。這一係列的發現,驚動了當時歐洲的科學界,許多科學家紛紛製作倍數更大的望遠鏡。

製作望遠鏡促進了光學的研究。原來,鏡片的彎曲程度,直接影響著望遠鏡的放大倍數,而鏡片彎曲程度的計算和設計,都要用到切線。

怎樣求一般曲線的切線?人們曾經提出過許多方法。但是在這些方法中,都存在著一些不能令人滿意的地方。後來,人們應用極限的思想,把切線看作是割線的極限位置,很好地解決了曲線的切線問題。

如圖,當B點沿著曲線C向A點運動時,割線AB就以A為中心轉動。在B點無限趨近A點的過程中,割線AB如果有一個極限位置L存在的話,那麼,直線L就叫做曲線C在A點的切線。

認識無窮小以零為極限的無窮數列很重要。

1,12,13,14,…1,-12,14,-18,…13,133,1333,…-0.4,0.04,-0.004,0.0004,…這些數列的共同點是:越變絕對值越小,越變越靠近零。我們把這種絕對值越來越小,以零為極限的無窮數列叫做無窮小。

要是讓無窮小的每一項都翻一個跟頭,變成為它的倒數,就可以得到另外一種數列。你看,把上麵四個無窮小翻一個跟頭得到1,2,3,4,…1,-2,4,-8,…3,33,333,…-10.4,10.04,-10.004,10.0004,…這四個新數列的共同特點是:絕對值越變越大,充分靠後的項的絕對值,可以大到“你要多大有多大”,“你說多大,可以變得比你說的還大”。我們把這種無窮數列叫做無窮大。

無窮小和無窮大的數值相差很大,但是關係密切。無窮小翻一個根頭,就變成了無窮大;無窮大翻一個根頭,就變成了無窮小。

無窮小還和別的有極限的無窮數列特別要好,好到形影不離。凡是有極限的地方,總少不了無窮小。

無窮數列0.9,0.99,0.999,…的極限是1,伴隨著它,有一個無窮數列0.1,0.01,0.001…很明顯,這個數列的數值越變越小,以0為極限,是一個無窮小。

無窮數列1.9,2.01,1.999,2.0001,…的極限是2,伴隨著它的無窮小是0.1,-0.01,0.001,-0.0001,…通過這兩個例子,我們可以總結出一個數列有極限,求伴隨它的無窮小的方法是:拿數列的極限,依次減去數列的每一項,就得到了這個無窮小。

請你求一求,伴隨下麵幾個數列的無窮小:

12,23,34,45,…的極限是1;2,32,43,54,…的極限是1;4,73,105,137,…的極限是32;1,14,19,116,…的極限是0。