平均速度!平均速度!这平均速度,一开始不是就和它缠个不清吗?不是觉得对于真实的运动情形,它无论怎样总表示不出来吗?那么,我们为什么这里还要说到它呢?不过,这里所说的平均速度,因为时间和空间所取的数值都很小的缘故,很有点用场。要得出真的速度而非平均的,要那运动只是一刹那间的,而非延续在一个时间的间隔当中的,我们只需把?t无限制地减小下去就行了。
我们先记好了前面已经说过的连续函数的性质,因为在一刹那t运动的距离是d,在和t非常相近的时间,我们用t+?t来表示,那么,相应地就有一个距离d+?d和d也就非常相近。并且?t越减小,?d跟着也是越小下来。
结果,v便是在一刹那t,动点的速度。将上面的话联合起来,我们可以写成:
极限值v也有一个不大顺口的名字,叫作“空间d对于时间t的导数”。
有了这个名字,我们说起速度来就便当了。什么是速度?它就是“空间对于一瞬的时间的导数”。
我们又可以回到芝诺的“飞矢不动”的悖论去了。对于他的错误,在这里还能够加以一种说明。芝诺所用来解释他的悖论的方法,无论它怎样地巧妙,但是横在我们眼面前的事实,总叫我们不能相信飞矢是不动的。你总看过变戏法吧?你明知道,那些使你看了吃惊到目瞪口呆的玩意儿都是假的,但你总不能找出它们的漏洞来。我们若没有正确的理由来攻破芝诺的推论,那么,对于他这巧妙的悖论,也只好怀着一个看戏法时所有的吃惊的心情了。
现在,我们再用一种工具来攻打芝诺的推论。
古代的人并不比我们笨,速度的意义他们也懂得的,只可惜他们还有比我们不如的地方,那就是关于无限小的量的观念,他们却一点儿没有。他们以为“无限小”就是等于零,并没有什么特别。因为这个缘故,他们实在吃亏不小,像芝诺那般了不起的人物,在他的推论法中,这个当更特别上得厉害。
不是吗?芝诺他这样说:“在每一刹那,那矢是静止的。”我们无妨自己问问自己看,他的话果真合适吗?在每一刹那,那矢的位置是静止得和一个不动的东西一般的吗?
再举个例子来说,假如有两支同样的矢,其中有一支是用了比别一支快一倍的速度飞动的。在它们正飞着的当儿,照芝诺想来,每一刹那它们都是静止的,而且无论它是飞得快的一支或是慢的一支,两个的“静止情形”也没有一点区别。
在芝诺的脑子里面,快的一支和慢的一支的速度,在无论哪一刹那都是等于零。
但是,我们已经看明白了,想精密地把一个速度规定,必须要采用到些“无限小”的量,以及它们相互的关系。上面已讲起过,这种关系,老老实实地是可以有一个一定的极限的。而这个极限呢,又恰巧可以表出我们所设想的一刹那时间的速度。
所以,在我们的脑子里面,和芝诺就有点两样了!那两支矢在一刹那的时间,它们的速度并不等于零:每支都保持着它的速度,在同一刹那的时间,快的一支的速度总比慢的一支的大一倍。
把芝诺的思想,用了我们的话来说,就可以得到这样一个结论,他推证出来的好像是两个无限小的量,它们的关系是必须等于零的。对于无限小的时间,照他想来那相应的距离总是零,这你会觉得有点可笑了,是不是?但这也不能就怪到芝诺,在他活着的时候,什么极限呀、无限小呀,这些观念都还没有好好儿地规定清楚呢。速度这东西,我们把它当作是距离和时间的一种关系,所以在我们,那飞矢总是动的。说得明白点,就是:在每一刹那它总保牢一个并不等于零的速度。
好了!关于芝诺的话,就此停止吧!我们来说点别的!
你学过初等数学的,是不是?你还没有全都忘掉吧!在这里,就来举一个计算导数的例子怎样?先选一个极简单的运动法则,好,就用你的弟弟在大门外爬的那一个:
d=5t (1)
无论在哪一刹那t1的末了他所爬的距离总是:
d1=5t1 (2)