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汽車追不上腳踏車?
大家聽過「追逐腳踏車的汽車追不上腳踏車」這個故事嗎?或是「飛箭追不上飛鳥」「兔子追不上烏龜」這類故事。簡單來說,就是速度較快的東西追不上速度較慢的東西的故事。這是由古希臘哲學家芝諾提出的主張,所以又稱為芝諾悖論。
假設有輛汽車與腳踏車沿著同一條路、同一個方向同時出發,而腳踏車在汽車前方20公里的地點A出發。汽車以時速40公里前進,腳踏車以時速20公里前進時,汽車要花多少時間才能追到腳踏車呢?答案很簡單,1個小時之後。因為此時汽車走了40公里。
不過,若是以下列的邏輯思考,又會得到什麼結果(這就是芝諾的邏輯)。
在0.5小時之後,汽車來到地點A,但腳踏車已經前進到10公里遠的地點B。在0.75(=0.5+0.25)小時之後,汽車來到地點B,但是腳踏車已經前進到5公里遠的地點C。在0.875(=0.5+0.25+0.125)小時之後,汽車來到地點C,但是腳踏車又前進到2.5公里遠的位置,以此類推,不管重覆幾次,腳踏車始終都在汽車前面,所以汽車永遠追不到腳踏車。
雖然這種結論很奇怪,但是這種邏輯到底哪裡出了問題呢?
雖然行進時間不斷以0.5小時、0.25小時、0.125小時、⋯⋯相加,但不管相加幾次,都不會超過汽車追上腳踏車的1小時,而這就是3-1節介紹的無窮級數的概念,也就是相加無限個時間之後,只要總和會往有限的值收斂,就不會是無限的時間。其實汽車追上腳踏車的時間為首項0.5=1/2、公比1/2的無窮等比級數,而這個無窮等比級數的總和為(1/2)/{1–(1/2)}=1,換言之,這個討論會在汽車追上腳踏車的1小時之前不斷延續下去。
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