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極限論與洛必達法則解釋

生活 更新时间:2024-07-20 21:20:47

在人們的印象中,烏龜是一種爬行速度很慢的動物。關于烏龜有一個耳熟能詳的寓言故事:龜兔賽跑,跑的特别快的兔子和特别慢的烏龜進行對比。大家都知道這則寓言的結果:烏龜赢了,因為兔子睡着了。

沒有多少人會真的認為烏龜是追不上的。可實際上,在公元前5世紀,有一位前輩思考這個問題。我們無從得知,這位前輩是不是吃飽了撐的,還是閑的沒事幹,或者腦子進水了,反正就是腦洞大開,給出了下面這樣一個案例:

“阿喀琉斯(古希臘神話中的英雄)與烏龜展開競賽,他的速度是烏龜的10倍,但是烏龜在他前面100米處出發。

  • 當阿喀琉斯跑了100米時,烏龜已經跑了10米,仍然領先10米;

  • 當阿喀琉斯再跑10米時,烏龜又跑了1米,仍然領先1米;

  • 當阿喀琉斯再跑1米時,烏龜又跑了0.1米,仍然領先0.1米;

  • … …

極限論與洛必達法則解釋(為什麼永遠追不上這隻烏龜)1

  • 10×10 10×1 10×0.1 10×0.01 10×0.001 …=10×(10 10/9)

  • 當然,任何一名中學生都可以建立阿喀琉斯和烏龜的速度函數,或者在二維平面中用兩條直線相交求交點的方法,求出阿喀琉斯追上烏龜所需的時間和距離。

    極限論與洛必達法則解釋(為什麼永遠追不上這隻烏龜)2

    在這個答案中,可怕的無窮小數又出現了

    這完全是建立在“我們已知(或假設)阿喀琉斯能夠追上烏龜”這個前提下。而在長達2000多年的時間裡,學者們苦惱的是如何證明這個前提!比如上面那個無窮級數,我們對其進行四則運算求和,是因為我們知道他收斂,否則不能随意的将四則運算擴展到無窮範圍内。

    再比如下面這個著名的交替級數的和,就有好幾種答案:

    極限論與洛必達法則解釋(為什麼永遠追不上這隻烏龜)3

    誰對誰錯?似乎都很有道理啊

    為什麼會這樣,出現好幾種看起來都正确的答案?

    • 有限範圍内的四則運算,擴展到無窮時,不一定适用。比如上面這個級數,計算順序的改變,會導緻結果不同;

    • 有些計算,已經先假設了級數是收斂的,比如上面這個級數的第三種解答。如果S不存在、不收斂,不能做這樣的運算。

    柯西在1821年着手研究,并逐步結束了這種混亂的局面。

    1. 無窮級數不一定收斂,即不一定等于某個确定的值;

    2. 在有限個數相加時,可以任意改變計算順序而答案不變。但是在無窮個數相加時,這一定律不适用。

    進一步,柯西還給出了級數、數列的收斂條件和判定方法。可以說,是柯大爺把“無窮”這頭禍害了數學上千年的猛獸重新關進籠子。

    極限論與洛必達法則解釋(為什麼永遠追不上這隻烏龜)4

    Cauchy,Augustin Louis 1789-1857

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