第24章 數學大發現(4)(3 / 3)

3<π<43.1<π<3.23.14<π<3.153.141<π<3.142…………如果把這兩串數值畫在數軸上,我們會發現這兩串數越來越靠近,就像兩個小孩從胡同的兩頭,一步一步地逼近雞似的。既然兩個小孩碰麵的時候,雞被捉住了;那麼,這兩串數“碰麵”的時候,就應該能捉住π。

數學上已經證明,用捉雞的方法,在數軸上捕捉實數時,一定能捕捉到一個,絕不會叫你撲空。

對於任意給定的無窮數列x1,x2,x3,…如果我們能夠找到兩列有共同極限的無窮數列:

a1,a2,a3,…的極限為M,b1,b2,b3,…的極限也為M,把所給的數列夾持在這兩個數列之間,即a1≤x1≤b1,a2≤x2≤b2,a3≤x3≤b3,…那麼,所給的數列一定也以M為極限,即x1,x2,x3,…的極限為M。

這個確定極限存在的方法,是用已知去逼近未知,用處廣泛,十分重要。

死胡同捉ee和π一樣是一個無理數,一樣很有用。

e是怎樣得到的呢?原來人們在研究無窮數列(1+11)1,(1+12)2,(1+12)3,…(1+1n)n,…時,證明這個數列肯定有一個極限存在,可是這個極限的數值等於多少呢?

觀察這個數列的變化規律:

(1+11)1=(1+1)1=2(1+12)2=(32)2=2.25(1+13)3=(43)3=6427≈2.37(1+14)4=(54)4=625256≈2.44……這個數列的數值從第一項起,一項比一項大。但是,不管你怎麼往下算,它的數值永遠小於2.8。這就好比在一條死胡同裏捉雞。

在死胡同裏捉雞,就不再需要兩個小孩了,隻要一個小孩就可以把雞捉到。2.8就好比是胡同裏堵死的一端。這個數列的極限,就好比是要捉的雞;一項一項的數值,就好比是步步逼近雞的小孩。當雞跑近胡同的一頭,無處可逃時,也終於讓小孩捉住了。

人們就是用類似死胡同裏捉雞的方法,去捕捉這個極限,發現它是個無理數。數學家用e來表示它,e=2.718281828459045…在數軸上捕捉實數,當發現一端是“堵死”的時候,隻要從另一端步步逼近就可以了。

電工找斷線

在具體使用兩邊夾逼的方法時,怎樣才能找到兩串數,由兩邊來逼近所求的值呢?使用較多的是“二分逼近法”。電工找斷線,用的就是這個方法。

電線AB,不知什麼地方斷了。請來電工,他首先找到AB的中點C,測試一下,如果AC之間通電,斷線肯定在BC中間;如果AC之間不通電,那一定是AC中間斷了。假定是AC中間斷了,他再找到AC的中點D,用同樣的方法,找出斷線是在AD之間,還是在DC之間。假定是DC之間斷了,他再找出DC的中點E。這樣一次一次地測試,測試的電線一次比一次短,經過幾次測試,就可以把斷頭找出來了。

電工尋找未知點,總是把斷線一分為二,然後步步逼近。現在,我們用二分逼近法來捕捉無理數3:

因為12<3<22,所以3必然在1和2之間。

找到1和2的中點1.5,因為1.52=2.25<3,所以3必然在1.5和2之間。

再找到1.5和2的中點1.75,因為1.752=3.0625>3,所以3必然在1.5和1.75之間。

這樣繼續下去,範圍越來越小,所得到3的近似值,也就越來越精確了。

當然,根據需要,采用別的分法也可以。

逼近曲邊形

由曲線OB的端點B,引垂直於OX軸的直線BA,得到一個曲邊三角形OAB。怎樣求曲邊三角形OAB的麵積呢?

乍一看去,這個問題好像很難,因為沒有現成的公式可用。要是我們采用小孩捉雞的方法,去逼近曲邊三角形OAB,很快就可以把它的麵積求出來。

先把OA分成四等份,假設作出三個小矩形1,2,3。我們用這三個小矩形麵積的和S3,來代替曲邊三角形OAB的麵積,相差的就是其中的斜線部分。S3可以計算出來:

S3=1+2+3=A1B1×A1A2+A2B2×A2A3+A3B3×A3A=OA4×(A1B1+A2B2+A3B3)。

你可能會想,這樣近似代替的誤差不是太大嗎?的確太大了,但是可以想辦法使誤差小一些。方法是把OA多分幾份,比如分成十等份,作出九個小矩形。用九個小矩形麵積的和S9,來代替兩邊三角形OAB的麵積,這時相差的麵積就小多了。

我們如果再多分下去,分得越多,相差的麵積也越小。也就是說,所有小矩形麵積的和,與曲邊三角形OAB的麵積越接近於相等。你看,在無限等份過程中,所有小矩形麵積的極限,就是曲邊三角形OAB的麵積了。

在一般情況下,當我們還不知道另一邊是不是“堵死”的時候,為了保險起見,我們應該從兩邊去逼近它。求曲邊三角形OAB的麵積,也可以用兩邊逼近法如圖。

當我們等分OA的份數越來越多時,裏麵小矩形麵積的和越來越大,外麵小矩形麵積的和越來越小;當裏外“碰麵”的時候,就捉住了曲邊三角形OAB的麵積這隻“雞”。

神秘的無限

在極限的基礎上,建立起來了一門十分重要的數學分支叫做微積分。它專門和無限打交道。