登陆注册
5958100000020

第20章 巧妙的方法

极限和无穷小紧紧相连,是无限过程的结果。要是把极限比做一曲动听的交响乐,那它的每一个乐章,都离不开无限这个主题。

π等于多少π等于多少?

你回答:π等于3.1416。

3.1416是π的近似值,π的精确值等于多少?

你回答:π是一个无理数,是一个无限不循环小数。因为无限而又不循环,所以需要没完没了地写下去,并且永远也别想把它写完。

答得很好。既然π的值需要没完没了地写下去,永远也写不完,你怎么知道π一定存在呢?

你问道:这……这是什么问题呀?

这个问题很重要。看来,你还没想到过这个问题。

整数和分数的存在是不容怀疑的。无限循环小数可以化成分数,它的存在也是不容怀疑的。

一个永远写不完、又没有循环规律的无限不循环小数,怎么能肯定它的存在呢?

仔细想想这个问题,实在有认真研究的必要。下面,我们就来谈谈这个问题。

胡同里捉鸡

不知谁家的鸡跑到胡同里来了。

忽然,从一家院子里跑出来了一个小男孩,他想捉住这只鸡。只见鸡在前面,一会儿快跑,一会儿慢走;小男孩一个劲在后面追,累得满头大汗,也没有捉住鸡。

这时候,从胡同的另一头,走来了一个小女孩,两个人一人把住一头,一步一步地逼近鸡。

当两个小孩碰面的时候,鸡无处可逃,终于被捉住了。

小胡同里捉鸡启发了我们。如果把数轴当作一条小胡同,把π当作跑进胡同里的鸡,看看我们能不能用胡同里捉鸡的办法,去捉住π这只鸡。如果能够捉住,当然就可以肯定π的存在了。

在捉π的时候,我们通过圆内接正多边形和外切正多边形,可以不断地算出π的不足近似值和过剩近似值,用这两串数把π夹在中间:

3<π<4

3.1<π<3.2

3.14<π<3.15

3.141<π<3.142

…………

如果把这两串数值画在数轴上,我们会发现这两串数越来越靠近,就像两个小孩从胡同的两头,一步一步地逼近鸡似的。既然两个小孩碰面的时候,鸡被捉住了;那么,这两串数“碰面”的时候,就应该能捉住π。

数学上已经证明,用捉鸡的方法,在数轴上捕捉实数时,一定能捕捉到一个,绝不会叫你扑空。

对于任意给定的无穷数列

x1,x2,x3,…

如果我们能够找到两列有共同极限的无穷数列:

a1,a2,a3,…的极限为M,

b1,b2,b3,…的极限也为M,

把所给的数列夹持在这两个数列之间,即

a1≤x1≤b1,a2≤x2≤b2,a3≤x3≤b3,…

那么,所给的数列一定也以M为极限,即

x1,x2,x3,…的极限为M。

这个确定极限存在的方法,是用已知去逼近未知,用处广泛,十分重要。

死胡同捉e

e和π一样是一个无理数,一样很有用。

e是怎样得到的呢?原来人们在研究无穷数列(1+11)1,(1+12)2,(1+12)3,…(1+1n)n,…时,证明这个数列肯定有一个极限存在,可是这个极限的数值等于多少呢?

观察这个数列的变化规律:

(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……

这个数列的数值从第一项起,一项比一项大。但是,不管你怎么往下算,它的数值永远小于2.8。这就好比在一条死胡同里捉鸡。

在死胡同里捉鸡,就不再需要两个小孩了,只要一个小孩就可以把鸡捉到。2.8就好比是胡同里堵死的一端。这个数列的极限,就好比是要捉的鸡;一项一项的数值,就好比是步步逼近鸡的小孩。当鸡跑近胡同的一头,无处可逃时,也终于让小孩捉住了。

人们就是用类似死胡同里捉鸡的方法,去捕捉这个极限,发现它是个无理数。数学家用e来表示它,e=2.718281828459045…在数轴上捕捉实数,当发现一端是“堵死”的时候,只要从另一端步步逼近就可以了。

电工找断线

在具体使用两边夹逼的方法时,怎样才能找到两串数,由两边来逼近所求的值呢?使用较多的是“二分逼近法”。电工找断线,用的就是这个方法。

电线AB,不知什么地方断了。请来电工,他首先找到AB的中点C,测试一下,如果AC之间通电,断线肯定在BC中间;如果AC之间不通电,那一定是AC中间断了。假定是AC中间断了,他再找到AC的中点D,用同样的方法,找出断线是在AD之间,还是在DC之间。假定是DC之间断了,他再找出DC的中点E。这样一次一次地测试,测试的电线一次比一次短,经过几次测试,就可以把断头找出来了。

电工寻找未知点,总是把断线一分为二,然后步步逼近。现在,我们用二分逼近法来捕捉无理数3:因为12<3<22,所以3必然在1和2之间。

找到1和2的中点1.5,因为1.52=2.25<3,所以3必然在1.5和2之间。

再找到1.5和2的中点1.75,因为1.752=3.0625>3,所以3必然在1.5和1.75之间。

这样继续下去,范围越来越小,所得到3的近似值,也就越来越精确了。

当然,根据需要,采用别的分法也可以。

逼近曲边形

由曲线OB的端点B,引垂直于OX轴的直线BA,得到一个曲边三角形OAB。怎样求曲边三角形OAB的面积呢?

乍一看去,这个问题好像很难,因为没有现成的公式可用。要是我们采用小孩捉鸡的方法,去逼近曲边三角形OAB,很快就可以把它的面积求出来。

先把OA分成四等份,假设作出三个小矩形1,2,3。我们用这三个小矩形面积的和S3,来代替曲边三角形OAB的面积,相差的就是其中的斜线部分。S3可以计算出来:S3=1+2+3=A1B1×A1A2+A2B2×A2A3+A3B3×A3A=OA4×(A1B1+A2B2+A3B3)。

你可能会想,这样近似代替的误差不是太大吗?的确太大了,但是可以想办法使误差小一些。方法是把OA多分几份,比如分成十等份,作出九个小矩形。用九个小矩形面积的和S9,来代替两边三角形OAB的面积,这时相差的面积就小多了。

我们如果再多分下去,分得越多,相差的面积也越小。也就是说,所有小矩形面积的和,与曲边三角形OAB的面积越接近于相等。你看,在无限等份过程中,所有小矩形面积的极限,就是曲边三角形OAB的面积了。

在一般情况下,当我们还不知道另一边是不是“堵死”的时候,为了保险起见,我们应该从两边去逼近它。求曲边三角形OAB的面积,也可以用两边逼近法如图。

当我们等分OA的份数越来越多时,里面小矩形面积的和越来越大,外面小矩形面积的和越来越小;当里外“碰面”的时候,就捉住了曲边三角形OAB的面积这只“鸡”。

神秘的无限

在极限的基础上,建立起来了一门十分重要的数学分支叫做微积分。它专门和无限打交道。

在一般人看来,无穷、无限就是没完没了,没有尽头,没有止境。过去,有人把无限看成是神秘的、不可捉摸的东西;也有人把无限看成是崇高的、神圣的东西。诗人哈莱曾写诗颂扬无限:我将时间堆上时间,世界堆上世界,将庞大的万千数字,堆积成山,假如我从可怕的峰巅,晕眩地再向你看,一切数的乘方,不管乘千来遍,还是够不着你一星半点。

也有人觉得无限是不可理解的。德国哲学家康德,就曾经为无限苦恼过。他说,无限像一个梦,一个人永远看不出前面还有多少路要走。看不到尽头,尽头是摔了一跤或者晕倒下去。

但是,尽管是摔了一跤或者晕倒下去,也不可能到达无限的尽头。

微积分恰恰是运用这种被看作是不可理解的无限,创造出一种崭新的数学方法,为解决大量的实际问题,为科学技术的发展,作出了十分宝贵的贡献。

现在,微积分这棵参天大树,已经是枝叶繁茂,果实累累,正在为人类作出更大的贡献。

同类推荐
  • 环保与人类生活(青少年身边的环保丛书)

    环保与人类生活(青少年身边的环保丛书)

    “青少年身边的环保丛书”是一套自然科学类读物。环境问题的实质是社会、经济、环境之间的协调发展问题以及资源的合理开发利用问题。本丛书包括了人类生活、自然和生态等各种关系的方方面面,从而让青少年了解环境保护对我们的重要性,以环境保护为己任。在这里,既有令人感动的环保故事,又有深刻实用的环保知识,它会使我们每一个人都能成为一名守护地球家园的忠诚卫士。
  • 震撼世界的100个科学发现(上)

    震撼世界的100个科学发现(上)

    人类的历史,犹如一串华美的项链,是由无数大大小小的事件连接而成的。那一个个辉煌的瞬间,便是历史链条中璀灿的宝石与珍珠,它熠熠生辉,警示着后人。
  • 让青少年热爱科学的故事(青少年素质养成必读故事)

    让青少年热爱科学的故事(青少年素质养成必读故事)

    为了激发广大青少年朋友对科学的热爱,我们组织编写了这本《让青少年热爱科学的故事》。这些小故事中既有讲述古今中外的科学家是如何通过努力学习并最终成才的,也有讲述对人类生活影响巨大的发明是如何诞生的。希望广大青少年朋友读了此书以后,也能够像书中的主人公那样用科学的态度去对待科学,用科学的方法去探索科学……
  • 青少年爱玩的魔术全集:科学魔术

    青少年爱玩的魔术全集:科学魔术

    本书内容包括:魔术中的物理原理、魔术中的化学表演、数学魔术的魅力体验、当魔术遭遇心理学。
  • 科技轶闻趣事(科学知识大课堂)

    科技轶闻趣事(科学知识大课堂)

    为了普及科学知识,探索科学发展的历程,领略科学丰富多彩的趣味,弘扬科学名家的丰功伟绩,学习科学家不懈的创新精神与无私的奉献精神,培养青少年科学、爱科学的浓厚兴趣,并密切结合青少年朋友日常的生活与学习特点,我们组织编写了这套《科学知识大课堂》。作为一套普及科学知识的通俗读物,本书有别于专业的学术论著,侧重于知识性、趣味性、实用性,注重对青少年科技素质的培育、科学兴趣的培养、科学精神的塑造与科学方法的启迪,不求面面俱到,但求言之有物,物有所指,指有所发。
热门推荐
  • 淡如初妆

    淡如初妆

    一本神秘的诗集中,隐藏着一个深不可测的秘密。那些淡雅清新的诗词,竟然是一个个神奇的密码。诗词爱好者叶颜追查时,很快发现不知不觉卷入了一场被精心设计的阴谋之中,好像有人暗中操控着这一切……
  • 中二少年狂想曲

    中二少年狂想曲

    作者自我乱编的中二故事想哪写哪断更时常啊
  • 九界见闻录

    九界见闻录

    在一个诸多势力,诸多种族的,诸多魔法的异界,我竟然见到了……
  • 夏日温存

    夏日温存

    这是有关几位青年人的故事,所谓他们的青春,所谓他们的怀念,都在上演,故事不够唯美。想要的悲伤不够悲,美好的结局不够美,但这是我最好的故事。
  • 雷击木

    雷击木

    《念奴娇——雷击木》:煜将乱世,破万障,斩断奸邪苍逆。渡劫归去,奔雷怒,银蛇九天颤栗!去落凡尘,长空彳亍,却捣夜家腥血。启暝游荡,所到怨煞滔天。一族南域多年,夜雨尽知晓,雄姿英发。天灵财棺,谈笑间,拢金江山半壁。天武缉令,奸邪尽所屠,灰飞烟灭。天晶天煅,看他英雄乱舞………←一笑世间!
  • 柒墨玄城

    柒墨玄城

    他,是雪域城的三皇子;却连初级雪灵术都无法通晓;又因手持玉笛,担起预言之子之名;在妖界乱世,他要如何承受王冠之重,杀戮叛世妖魔;伫立云巅,戍守妖界。……寸心右伴,固土为封;降之雪城,玉笛相伴;义骨情魂,神兽相助;王冠加冕,必成其重;戍守妖界,绛封神域。
  • 邪魅校草扑倒我

    邪魅校草扑倒我

    她,是可爱甜美的林家小姐他,是邪魅帅气的凌家少爷,他们从冤家到情侣,会擦出怎样的火花呢?…
  • 透视眼美人逆天:火辣女王

    透视眼美人逆天:火辣女王

    叱咤风云的财团的大小姐、黑白两道畏惧的楚家大小姐——楚娇珑,一朝穿越异世,成为毫无灵力的、且沦为奴隶的亡国公主。神奇的是,她竟拥有透视眼!傻子亡国公主,摇身一变成为智慧无双的绝色美人。说她废柴?她灵力强着呢!女王归来,尔等还不跪下膜拜!*楚娇珑望着他腰下几寸,倒吸一口凉气。“好、好大……”“什么好大?”“咳、咳咳,我是说王爷的眼睛,眼睛好大,呵,呵呵……”“那你流鼻血作甚?”*“女王陛下,你怎么又流鼻血了?”“你去告诉辰王殿下,让他下次多穿两条裤子,再来见本女王!”她都要失血过多鸟……
  • 紫帝丹尊

    紫帝丹尊

    武道之路上没有巅峰,丹道一路上唯有不断探索,是终结,还是继续,星空的秘密,一直在等待着被发现。落魄少年的崛起之路,传奇之花的耀眼绽放!
  • 太上三五傍救醮五帝断殟仪

    太上三五傍救醮五帝断殟仪

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。