Vận dụng 2. (Giải thích nghịch lý Zeno) – Trang 108 | SGK Toán 11

Vận dụng 2. (Giải thích nghịch lý Zeno)

Giả sử Achilles chạy với vận tốc $v_A = 100$ km/h, vận tốc của rùa là $v_R = 1$ km/h và khoảng cách ban đầu giữa họ là $a = 100$ km.

  • a) Tính thời gian $t_1, t_2, \dots, t_n, \dots$ tương ứng để Achilles đi từ $A_1$ đến $A_2$, từ $A_2$ đến $A_3, \dots$, từ $A_n$ đến $A_{n+1}, \dots$ (Trong đó $A_1$ là vị trí xuất phát của Achilles, $A_2$ là vị trí ban đầu của rùa, $A_3$ là vị trí rùa đạt được khi Achilles đến $A_2, \dots$).
  • b) Tính tổng thời gian cần thiết để Achilles chạy hết các quãng đường $A_1A_2, A_2A_3, \dots, A_nA_{n+1}, \dots$, tức là thời gian cần thiết để Achilles đuổi kịp rùa.
  • c) Sai lầm trong lập luận của Zeno nằm ở đâu?

Giải

a) Tính các khoảng thời gian $t_n$

  • Thời gian $t_1$: Để Achilles đi hết quãng đường ban đầu $A_1A_2 = 100$ km:$$t_1 = \frac{100}{100} = 1 \text{ (giờ)}$$
  • Trong thời gian $t_1 = 1$ giờ này, rùa đã đi thêm được một quãng đường $A_2A_3$:$$s_2 = v_R \cdot t_1 = 1 \cdot 1 = 1 \text{ (km)}$$
  • Thời gian $t_2$: Để Achilles đi hết quãng đường $A_2A_3 = 1$ km:$$t_2 = \frac{1}{100} \text{ (giờ)}$$
  • Tương tự, quãng đường rùa đi tiếp là $s_3 = v_R \cdot t_2 = 1 \cdot \frac{1}{100} = \frac{1}{100}$ (km).
  • Thời gian $t_3$: Để Achilles đi hết quãng đường $A_3A_4$:$$t_3 = \frac{1/100}{100} = \frac{1}{100^2} \text{ (giờ)}$$

Tổng quát: Thời gian $t_n$ tạo thành một cấp số nhân với số hạng đầu $t_1 = 1$ và công bội $q = \frac{1}{100}$.

$$t_n = \frac{1}{100^{n-1}}$$


b) Tính tổng thời gian $T$

Tổng thời gian để Achilles đuổi kịp rùa là tổng của chuỗi vô hạn các khoảng thời gian trên:

$$T = t_1 + t_2 + t_3 + \dots + t_n + \dots$$

$$T = 1 + \frac{1}{100} + \frac{1}{100^2} + \dots$$

Đây là tổng của một cấp số nhân lùi vô hạn với $u_1 = 1$ và $q = \frac{1}{100}$. Áp dụng công thức:

$$T = \frac{1}{1 – \frac{1}{100}} = \frac{1}{\frac{99}{100}} = \frac{100}{99} \approx 1,01 \text{ (giờ)}$$


c) Sai lầm của Zeno

Sai lầm của Zeno nằm ở quan niệm về thời gian và sự vô hạn:

  1. Zeno cho rằng một tổng có vô số các khoảng thời gian dương ($t_1, t_2, \dots$) thì tổng đó phải bằng vô cực.
  2. Tuy nhiên, toán học hiện đại chứng minh rằng một tổng vô hạn các số hạng vẫn có thể hội tụ về một giá trị hữu hạn (ở đây là $100/99$ giờ).

Vì vậy, dù Achilles phải vượt qua vô số điểm chia, ông ta vẫn đuổi kịp rùa trong một khoảng thời gian ngắn ngủi và xác định.