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加百利號角悖論是什么?為什么有限的體積能夠對應無窮大的表面積

我們在三維空間中構造出一個表面積無窮大,但體積卻是有限的形狀。如下圖所示,可以看出這個形狀類似樂器——小號,又稱為加百利號角。

這個號角的怪異之處就在于:如果你想要向里面灌水去填滿它,這是可以做到的;但如果你想用油漆將其表面都刷一遍,那么不好意思,這個辦不到。因為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,怎么可能有這種東西呢?但實際上當初提出這個設想的可是正正經經的科學家——埃萬杰利斯塔·托里拆利。沒錯就是我們中學時代,物理課上講的那個測量大氣壓的托里拆利。

其構思是在數學層面進行的,過程很簡單:我們設想將反比例函數y=1/x,其中沿x大于等于一的部分,繞著x軸旋轉一圈,就可以得到這么一個形狀,長的和小號很像。

這時候,托里拆利就想去計算這個小號的面積和體積是多少?值得注意的是,當時距離微積分的出現還有幾十年呢。因此托里拆利只能用當時數學中的卡瓦列利原理(這個卡瓦列利原理,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),之后托里拆利得到這個小號的表面積無窮大,但體積卻是一個有限值。

這個結論讓人非常驚訝,因為從直觀上來講,一個物體在體積有限的情況,它的表面積竟然是無窮大的,難以想象它的存在。

沒錯,因為這個小號過于違背人們的直覺,以至于當時英國著名的哲學家托馬斯·霍布斯直呼:如果你想要從感官上去理解它,只有瘋子才能辦到!

當時的數學界也是議論紛紛,直到后來微積分出現后,人們利用微積分再次對其驗證,結果發(fā)現結論是正確的,確實是面積無窮大,體積有限,且體積值為Π。

圖中出現的就是利用微積分計算面積和體積的算式,可以看到用到的微積分知識都是相當基礎的。

實際上關于這個爭論,從客觀世界出發(fā),并沒有多燒腦,因為數學圖像是理想模型,這個小號就是一個長度無限的曲面,毫無厚度可言,而且它根本不需要考慮微觀層面的物質構成。

就好比于,在數學上我們可以說一條線、一個面。但實際上,只有長度,卻沒有厚度和寬度的線;以及只有長度和寬度,卻沒有厚度的面,二者在客觀世界中我們根本造不出來。

因此這個小號也是造不出來的,所謂的悖論也只是存在于人們的直覺感受上而已。

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