數理化科普:加百利號角悖論是什麽?為什麽有限的體積能夠對應無窮大的表麵積
發布時間:2021-03-19
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數理化科普:加百利號角悖論是什麽?為什麽有限的體積能夠對應無窮大的表麵積

我們(men) 在三維空間中構造出一個(ge) 表麵積無窮大,但體(ti) 積卻是有限的形狀。如下圖所示,可以看出這個(ge) 形狀類似樂(le) 器——小號,又稱為(wei) 加百利號角。

加百利號角悖論是什麽?為什麽有限的體積能夠對應無窮大的表麵積

 


加百利號角悖論是什麽?為什麽有限的體積能夠對應無窮大的表麵積

 

這個(ge) 號角的怪異之處就在於(yu) :如果你想要向裏麵灌水去填滿它,這是可以做到的;但如果你想用油漆將其表麵都刷一遍,那麽(me) 不好意思,這個(ge) 辦不到。因為(wei) 理論上你需要無窮多的油漆才能刷滿它。

乍一聽,可能很多朋友都不相信,怎麽(me) 可能有這種東(dong) 西呢?但實際上當初提出這個(ge) 設想的可是正正經經的科學家——埃萬(wan) 傑利斯塔·托裏拆利。沒錯就是我們(men) 中學時代,物理課上講的那個(ge) 測量大氣壓的托裏拆利。

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其構思是在數學層麵進行的,過程很簡單:我們(men) 設想將反比例函數y=1/x,其中沿x大於(yu) 等於(yu) 一的部分,繞著x軸旋轉一圈,就可以得到這麽(me) 一個(ge) 形狀,長的和小號很像。

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這時候,托裏拆利就想去計算這個(ge) 小號的麵積和體(ti) 積是多少?值得注意的是,當時距離微積分的出現還有幾十年呢。因此托裏拆利隻能用當時數學中的卡瓦列利原理(這個(ge) 卡瓦列利原理,實際上就是中國的祖暅原理,但祖暅原理要比其早了一千年),之後托裏拆利得到這個(ge) 小號的表麵積無窮大,但體(ti) 積卻是一個(ge) 有限值。

這個(ge) 結論讓人非常驚訝,因為(wei) 從(cong) 直觀上來講,一個(ge) 物體(ti) 在體(ti) 積有限的情況,它的表麵積竟然是無窮大的,難以想象它的存在。

沒錯,因為(wei) 這個(ge) 小號過於(yu) 違背人們(men) 的直覺,以至於(yu) 當時英國著名的哲學家托馬斯·霍布斯直呼:如果你想要從(cong) 感官上去理解它,隻有瘋子才能辦到!

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當時的數學界也是議論紛紛,直到後來微積分出現後,人們(men) 利用微積分再次對其驗證,結果發現結論是正確的,確實是麵積無窮大,體(ti) 積有限,且體(ti) 積值為(wei) Π。

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圖中出現的就是利用微積分計算麵積和體(ti) 積的算式,可以看到用到的微積分星空体育官网入口网站都是相當基礎的。

實際上關(guan) 於(yu) 這個(ge) 爭(zheng) 論,從(cong) 客觀世界出發,並沒有多燒腦,因為(wei) 數學圖像是理想模型,這個(ge) 小號就是一個(ge) 長度無限的曲麵,毫無厚度可言,而且它根本不需要考慮微觀層麵的物質構成。

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就好比於(yu) ,在數學上我們(men) 可以說一條線、一個(ge) 麵。但實際上,隻有長度,卻沒有厚度和寬度的線;以及隻有長度和寬度,卻沒有厚度的麵,二者在客觀世界中我們(men) 根本造不出來。

因此這個(ge) 小號也是造不出來的,所謂的悖論也隻是存在於(yu) 人們(men) 的直覺感受上而已。



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