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芝诺与兔的赛跑

2022-07-10星舰光年

数学大王·中高年级 2022年8期
关键词:芝诺悖论乌龟

星舰光年

龟兔赛跑的故事想必大家都耳熟能详了。在一次森林運动会上,骄傲自满的兔子非常瞧不起慢吞吞的乌龟,要和乌龟赛跑。当兔子跑到一半时,发现乌龟已经被它远远地甩在了身后。于是,它靠在一个树桩旁边,使劲儿伸了个懒腰,惬意地睡着了。当它醒来时,发现那只慢吞吞的乌龟已经爬到了终点。乌龟凭借着自己不懈地努力,最终赢得了比赛的胜利。

可你们知道吗,这个故事并未结束,因为不服气的兔子再次向乌龟发起了挑战。兔子这一次会吸取上次的教训,赢得比赛吗?乌龟是否敢应战呢?最重要的是,你觉得它俩再次较量,谁会是最终的赢家?

兔子的战书

在上次的森林运动会上,兔子出乎意料地输给了乌龟。这让兔子非常懊恼,也非常羞愧。自此以后,兔子几乎就不敢出门了,它害怕其他动物嘲笑它。

兔子心想:我奔跑的速度是每秒20米,而乌龟呢,使出吃奶的劲儿,每秒也才爬0.2米。兔子觉得它只要吸取教训,一鼓作气跑到终点,一定会赢得漂漂亮亮,打一场精彩的翻身仗。

于是,兔子怀着激动的心情,跑到书桌前,拿起笔写下了一封挑战书。

兔子写完挑战书之后,又复印了厚厚的一大沓。这是为什么呢?原来,它不仅要把挑战书送到乌龟的家中,还要把挑战书贴满森林大道两侧的树木。它要让所有的动物都来见证它的胜利时刻。

当动物们看到兔子的挑战书之后,平静的森林顿时沸腾起来。大家议论纷纷,争得面红耳赤。有的说,兔子小肚鸡肠,输不起;有的说,兔子知耻而后勇,一定会获得这次比赛的胜利;还有的说,兔子这是明摆着欺负乌龟……

不过,最让大家争执不下的是:乌龟敢应战吗?

大家都很好奇,纷纷跑到乌龟家里,想看个究竟。当动物们来到乌龟家里时,乌龟正坐在书桌前,气定神闲地看着书,还不时地用笔在书上写写画画。

小猴子着急了:“小乌龟,你看见兔子给你的挑战书了吗?”

“我看见了。”乌龟说。

“那你接受它的挑战吗?”小斑马问。

“接受!”乌龟斩钉截铁地说。

正在动物们为乌龟的应战惊讶不已时,乌龟站在凳子上,大声喊道:“从今天起,你们可以叫我芝诺!”

“小乌龟,起个名字并不能吓到兔子。况且,你这名字既不威风,也不吓人。”小猴子摇摇头。

“哈哈,芝诺我自有妙计。大家都先回去吧,等着看后天的好戏。”乌龟自信地说。

在乌龟的劝说下,大家怀着既担心又好奇的心情逐渐散去。

挑战书

尊敬的乌龟先生:

为了兔子的荣誉,我要再次向你挑战!后天是一个阳光灿烂的日子,早上9点,我在森林大道等你,再和你进行一次公平、公开、公正的比赛。

你可千万别做缩头乌龟!

兔子

芝诺的绝招

到了比赛这天,阳光明媚,森林里热闹非凡。森林大道两边站满了前来观战的动物。大家都想看看,此次比赛的冠军到底花落谁家?乌龟是否真的有什么妙计,能再次夺得胜利?

兔子早早地来到了赛场,在起跑线前摩拳擦掌,又蹦又跳,一会儿下个腰,一会儿压个腿。很显然,它是有备而来的,对此次比赛的胜利志在必得。

9点的钟声即将敲响前,乌龟芝诺才慢悠悠地来到赛场。

“小乌龟,你终于来了。”兔子轻蔑地说。

乌龟芝诺走到兔子面前,自信地说:“我根本不用跑,就能赢你。”

“不用跑,难道你会飞吗?”兔子笑道,“你分明就是害怕了,故意装神弄鬼,拖延时间罢了。”

“那好,我先问你一个问题。大家都知道,兔子奔跑的速度要比乌龟的爬行速度快很多。你我要站在同一起跑线上,到达同一个终点,这怎么能算公平公正呢?” 乌龟慢悠悠地说。

“对呀,不公平,不公平!”动物们都随声附和。

“那你说,你想要怎样?不管怎样,这次我都会赢你,我才不会像上次那样睡大觉,让你有可乘之机。”兔子说。

“只要你答应我一个条件,如果你赢了,我从此甘拜下风,输得心服口服。”乌龟自信地回答。

“好,什么条件?”

“只要你让我先跑10米,如果你能追上我,就算你赢!”

“哈哈!我还以为是什么条件呢,原来就是这个呀!好,我答应你了!你准备好了吗, 开始吧!”兔子感觉获得此次比赛的胜利简直如同探囊取物,想都没想就答应了。

“3,2……”

“慢着!你输了,你永远不可能追上我!”乌龟突然阻止了兔子。

“胡说,你都还没跑,怎么就知道我输了,你分明在耍赖!”兔子生气地说。

“那好,我们就来分析一下。比赛一开始,我比你先跑10米,你起跑的时候我已经在你前面10米了,对不对?”

“对!那又怎样?”兔子气呼呼地回答。

“你奔跑的速度是我爬行速度的100倍,对不对?”

“对,就算只是你的10倍,我也能很快追上你!”

“好,就听你的,按你的奔跑速度是我爬行速度的10倍来分析。当你跑到10米的位置的时候,我是不是又跑到你前面1米的位置去了。”

“是的。你究竟想耍什么花招?”兔子生气了。

“那么当你又跑了1米的时候,我已经跑到你前面0.1米的位置去了。以此类推,当你跑到我的位置的时候,我总是能跑到你前面一点儿去。就这样重复下去,我总是在你前面。你说,你怎么能追得上我呢!”乌龟得意地说道。

“我,我,我……”兔子被乌龟问住了,一时语塞,答不上来了,“你这是狡辩,有本事你跑呀,看我追不追得上你!”

“就算我们之间的距离很近,但当你跑到我原本所在的位置时,我依旧跑在你前面。这样的情况下,你怎么能赢得了我!”乌龟以胜利者的姿态,在比赛开始前就难住了兔子。

芝诺悸论

在现实生活中,速度快的物体去追速度慢的物体,只要时间足够,是一定能追上的。可是在乌龟的设计中,为什么兔子无法追上它呢?

我们先来回答第一个问题,乌龟为什么给自己起名叫芝诺?那是因为乌龟在看课外书的时候,了解到古希腊有位数学家叫芝诺,他提出了一个悖论,叫芝诺悖论。

芝诺悖论说的是,当一个人要从A点走到B点,那么他首先要走完全程的二分之一,接下来又要走完剩下路程的二分之一,然后又要走完剩下路程的二分之一……就这么循环下去,这个人只能无限接近目的地B点,却永远也无法到达。

从这个悖论出发,延伸出了“阿基里斯追不上乌龟”的悖论。阿基里斯是希腊神话中非常善于奔跑的英雄,可是他却追不上一只慢吞吞的乌龟。这正是乌龟芝诺对付兔子的灵感来源。

第二个问题,兔子明明追得上乌龟,可在乌龟的分析中,为什么兔子永远追不上它呢?

原因很简单,我们先来计算一下!假设乌龟在兔子前面10米的位置,兔子奔跑的速度是每秒10米,而乌龟爬行的速度是每秒1米。

第一阶段:

兔子跑到10米处所需要的时间为T=1秒。在这1秒内,乌龟向前爬了1米。此时,兔子与乌龟之间的距离为1米。

第二阶段:

兔子继续往前跑1米,所需要的时间为T=0.1秒。在这0.1秒内,乌龟向前爬了0.1米。此时,兔子与乌龟之间的距离为0.1米。

第三阶段:

兔子继续往前跑0.1米,所需要的时间为T=0.01秒。而在这0.01秒内,乌龟向前爬了0.01米。此时,兔子与乌龟之间的距离为0.01米。

如此重复下去,到第n个阶段:

兔子继续往前跑10 米,所需要的時间为T=10 秒。而在这10 秒内,乌龟向前爬了10 米。

因此,兔子如果一直跑下去,需要的时间为:

T=T+T+T+…+T

=1+0.1+0.01+…+10 =1.1(秒)。

而在正常的计算过程中,兔子追上乌龟所需要的时间为:

T=10/10-1=10/9=1.1(秒)。

这两种计算结果是一样的,并没有矛盾,所以,兔子最终是可以追上乌龟的。那么,乌龟设计的陷阱到底在哪里呢?

其实,乌龟把兔子追上它所需要的时间给无限细分了,让兔子奔跑的时间无限接近10/9秒,却达不到10/9秒。这样,在乌龟的分析中,兔子就无法追上它啦。

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