無窮小的危機:折磨數學家數百年的「芝諾悖論」

無窮小的危機:折磨數學家數百年的「芝諾悖論」
Photo Credit: Max Rossi / REUTERS / 達志影像

我們想讓你知道的是

芝諾的這四個悖論,讓以後許多的西方數學家們,不再輕易相信直覺,對無窮這個概念,更是不敢輕易去碰觸。

第三個悖論我們用個簡單一點的例子來說明。想像一下動畫的連續動作,它是由許多有微小差異的影格快速連續地變換所形成的,雖然動畫中的影像看起來在動,可是每一個影格都是靜止的。這個悖論的觀點就是如此,每一個「瞬間」就是一個影格,因此在這個瞬間那支箭是不動的。針對第三個悖論,亞里斯多德認為:只要不接受這個悖論的假設,即時間有最小的不可分割的單位(瞬間)即可。而在評論第四個運動場悖論時,亞里斯多德先以下面的方式解釋芝諾的想法:

有三列相同數目相同大小的物體,排列如下,

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一列靜止,另兩列在中間的地方以相同的速度,朝相反的方向前進,同時到達三列並排,如下圖。

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就B1而言,從A5到A8,所以,這個運動時刻,經過四塊區域;但是就C1而言,從B1到B8,所以,在這個運動時刻經過八塊區域。但是,由於每一塊相同大小,相同速度,又是在相同時刻,所以,就C1而言,經過八塊區域的這個瞬間,等於B1經過四塊區域的瞬間。亞里斯多德認為芝諾沒有意識到相對運動的不同,才會有「一個瞬間和它的一半相同」這樣的結論。

希斯認為這樣解釋芝諾的想法並不容易取信於人,應該有更好的解釋才是。他採用了下列的說法來解釋芝諾的意思:在B列和C列以相反的方向經過彼此,在互相經過一整個區域的這個不可分割的瞬間時,一定有一個「瞬間」是互相交錯的(只過一半,如下圖),但是這個「瞬間」就已是最不可分割的單位了,也就是說,得到芝諾的結論「一個瞬間和它的一半相同」。你認為合理嗎?你接受嗎?

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古希臘的數學家們通常都還有另一個身分就是哲學家,因此他們在思考數學時,會加入如何認識世界以及個人內在感官思維如何運作等議題,也因為這樣的思辨方式讓希臘數學家們意識到無窮這個觀念產生的問題,不過卻也因為思辨過頭了,在無法完全釐清時選擇迴避。芝諾的這四個悖論,讓以後許多的西方數學家們,不再輕易相信直覺,對無窮這個概念,更是不敢輕易去碰觸,譬如亞里斯多德拒絕實在無窮的存在;阿基米德使用麻煩的窮舉法以及邏輯上較為嚴謹的歸謬證法來證明圓面積公式;甚至偉大數學家如高斯都認為使用到「無限(無窮)」在數學證明上是不被承認的,他認為只要「有限的人類」(Finite Man)不將無限當成是某一種固定的東西來看,就不會有矛盾產生。

這種對無窮的模糊不清的說法,一直要到康托(G.F.L.P. Cantor, 1845-1918)的集合論出現後,才陸續被完整的、清楚地澄清,之後數學家們才能在理論上無畏懼地、理直氣壯地接受與使用,並藉以發展更精進的數學知識。然而這種與直觀不合的心理矛盾並不是那麼容易去除的,要經歷數百年的爭執衝突,身心折磨之後,數學家們才能稍微心安一點地擺脫無限帶來的危機。

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書籍介紹

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作者:蘇惠玉

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三民書局《追本數源:你不知道的數學祕密》封面
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