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很久很久以前,有一个地主。地主有一个老管家,当了一辈子仆人,打算告老归田。几十年主仆,也算有点情分。于是地主说,这样吧,你从我这里扯一根线,到我的田里圈一块地,圈多少算多少,全归你。老管家是个神人,眼珠子转了转,说:“你让我扯一根线,那我就扯一根直线吧。直线可不是线段哦,它的长度是无穷大。”哟,地主一惊,这不是要连我家一块儿吞了么。不过所谓道高一尺魔高一丈,他把袖子一捋:“好啊,无穷大就无穷大,但是得我来围。”

怎么围呢?他先画了一个等边六角形,说,这块地有一亩。管家半是好奇地点点头。接着地主把各边的三分之一抹去,换成等长的两条线段:

这样,每条边的长度增加了三分之一。从形状上看,每边多出了一个小号的三角形。然后他在每个新的小三角形上重复同样的步骤,得到了更多更小的三角形。这样不停地重复下去,得到的图案看起来就像一片雪花。


根据地主的规则,把每条边的中间部分抹去,换成两条线段。那么一条边就变成了四条边。像这样:

地主说,如果我永远地进行下去,这片雪花的周长将变成无穷大,里面圈起来的面积都归你。管家大喜过望,永远进行下去,这面积不就永远增加下去嘛!赶快说:“老爷,你一言既出,可不许反悔啊!”地主说,“那当然,该多少是多少。”

咦,这么爽快,难道这里头有猫腻?可不能被他忽悠了啊。管家嘛,精打细算可是看家本领,于是他盘算开了:这个图案有很明显的规律性——每次增长,都是在每条小边上增加一个三角形。那么如果知道总共有几条小边,也就能算出总共增加多少个三角形。嗯,看来,最关键的是找出边数增加的规律。


起始的六角形有12条边,那么第一步得到的新图形就有12x4=48条边,第二步得到的图形就有12x4x4=192条边,接下去就是12x4x4x4条边。。。。所以,从六角形开始,第一次增加了12个三角形,第二次增加了12x4=48个,第三次12x4x4=192个,接下去是12x4x4x4个。。。

太好了,最后就是算出每次增加的三角形的面积,把它们加起来就能算出总面积。这很容易,因为新三角形的边长都是老三角形的三分之一,所以新三角形的面积是老三角形的九分之一。老管家一系列推算的心理活动全在这儿。经过一番心算,他终于得出了面积的计算公式:

啊哈,原来是一个等比数列!等比就是不停地乘上一个相同的比值。老管家一眼就看出来,这个式子就是不停地乘上4/9。他记起高中老师教过怎么算等比数列的和。对于形如的式子,如果r小于1的话,即使这个数列无限延伸下去,它的和也是有限的,可以用这个公式算出来。那么,这里a是1/9,r是4/9,所以s就是。不要忘了起始的那个1,所以总面积就是一又五分之一,即1.2亩。

管家傻眼儿了,费了这么半天劲,原来才一亩二分地啊!是不是搞错了?地主肯定耍花招了,这么下去周长肯定不是无穷大。管家重新检查了一下周长:每次抹去各条边的三分之一,换成两条相同长度的线段,那么就变成了原先的三分之四。每条边增长相同的比例,总周长就也增长到原先的三分之四。如果起始的周长是L,那么第二步就变成 L,第三步是L,……,第n步就是L。管家记得高中数学老师也教过,如果每次都乘上一个大于1的比数,这样永远进行下去,最后的数值就趋于无穷大。也就是说,只要我们不停地让n增加,周长L是没有极限的。

管家这回可懵了。这是个什么怪物,无穷的周长,却只围成一亩二分地!他看了看一脸坏笑的地主,真想一头撞死算了。老大,你牛,你不愧是地主!

当我们的老管家在他的一亩二分地上享受夕阳红的时候,我们再看一眼这个奇妙的雪花吧。你有没有发现,其实它可以是任意的大小?如果开始我们规定六角形的面积是1公顷而不是1亩,那雪花的面积就是1.2公顷。或者如果把六角形缩小成1平方米,那就会得到1.2平方米的雪花。可是,不管面积大还是小,周长永远趋于无穷。奇怪不奇怪?

最后有一个小把戏留给你。这是一个“思想实验”,因为我们不能把有限的一辈子投入到无限的画雪花中去,呵呵。准备好,开始挑战自己的想象力吧。给你一支水彩笔。你能把一个1.2平方分米(巴掌大小)的雪花涂满颜色吗?如果能,你是怎么处理边缘的呢?因为边缘是无穷长的呀?如果不能,那么我保持每分钟涂0.1平方分米的速度,12分钟不就涂完了吗?0.1乘以12明明就是1.2呀?

怎么样,给我一个答案?

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  1. 好在我们这个世界有托底的,物质不是无限可分的.

  2. 第一次写,不知道怎么截断
    搞乱版面了,对不起大家啊,gerry帮帮忙吧~~

  3. 我想到了一个解决办法:反正面积是恒定的,把1.2平方分米的颜料倒进雪花里,让其自动填满雪花。就像把一定体积的水倒在边界无穷,但体积恒定的容器里一样。既然边界是无穷的,就让面积是流动的。
    乱想的,好玩而已,呵呵。

  4. 因为小三角形的面积会越来越小,而水彩笔的笔尖面积是一定的,所以存在笔尖面积大于一个小三角形的情况,这样的话,沿边缘前进的方法就行不通了。于是该怎么做呢?本人目前没有想好:(

  5. 把这个原理应用到海岸线,“我国海岸线长3.2万公里”这个说法就是在扯淡

    • 你只知道有人说过海岸线啥啥的和分形的关系, 却从来没想过怎样量海岸线的. 被科普普到一半的人的 POSE 真好看.

      • “扯淡”这个词虽然有点严重,但是从原理上讲没有错的。Y.X.,不要这么激动嘛。如果科普不能使人学会用逻辑来争论,而是变成人身攻击,那这普得可真失败。

      • 被科普普到一半的人。。。这个用法好华丽啊!

  6. 是可以填满的,因为保持恒定填空速度的情况下,越到后来,处理边界的速度会越快,最后处理边界的速度也会成为无限的速度,而且会超过边界增长的速度。

  7. 不对,这个六边形边长无限细分后会形成一个新的六边形,面积是1.2倍的正的六边形,所以涂颜料没有问题,就是12分钟

  8. 也给婆婆请安!婆婆是只老松鼠还是小松鼠哇?崇拜一下!

  9. 我想明白了答案,最后的问题可以这样说:一个有限的面积内,却可以有无限的周长,因为无论在多么小的二维世界里,都可以容得下无限长的一维线条。
    我把问题简化成另外一个问题,就可以理解了,是这样的一个问题:在一个1平方厘米的方块内,我可以画无数条线段,你可以涂满方块,但你怎么描得完无数条的线段呢?
    答案就是:作者耍猫腻了——涂色是二维的活动,而线段是一维的。哇哈哈,我答对了,给我奖励,奖励!

    • 是个思路,你把这个悖论换一种方式表达出来了^^

  10. 楼上还真能深纠...
    我把整张纸涂满颜色就好啦,你又没说不准出界

  11. 这……不是问题吧……

    有限的步骤可以完成无限的任务的

    参考芝诺的:兔子追不上乌龟

    • 我小时候被这个困扰了很久。。。
      后来发现这只是一个诡辩而已
      兔子当然能追上乌龟啦

  12. 我也觉着类似那个兔子追乌龟的问题:)
    也同意wayt的一种思路。
    我的思路是:请问婆婆发的水彩笔,笔尖多粗?

  13. 边缘无穷长是建立在雪花一直保持分裂的前提下吧?那么就涂不完了。婆婆又说的保持每分钟涂0.1平方分米的速度,12分钟涂完是建立在停止分裂的情况下吧?也就是说,12分钟涂完实际上就已经否定了边缘无穷长。
    不知道我这样说是不是把这个问题想得太简单了?婆婆指正一下。

  14. 婆婆这篇文章一直悬挂在热门区哇!俺来祝贺^-^

  15. 明显骗人嘛~双重标准。
    周长是趋近于无穷的时候,实际面积也是趋近于1.2,所以根本就没有面积精确等于1.2的雪花,面积应该是1.2+a,而a这个无限小的量就是周长趋近于无穷的那个量。
    所以,如果面积精确等于1.2,则周长并不是无穷大,则能涂满;如果周长真的是无穷大到无法处理边缘,则面积实际也不是1.2,用恒定涂速也有个无穷小量涂不完,则不能涂满。

  16. 我觉得周长和面积一样,并不是无穷大,因为虽然边的数量总是在增加,但是增加的值却越来越趋近于无穷小,所以。。最后的周长也是可以算出来范围的

  17. 对不起,上边我说的有误,理解错了。边长是无穷大的,但是围成的图形最后是否会有重合的面积呢?

  18. 把颜料实现涂抹在一块面积大于雪花的板子上,然后盖下去就可以了。反正只要求涂满,没说不能溢出。

  19. 这不是2002年全国高中数学联赛的一道题吗?!嘿嘿,我是学生我做过的……
    面积Sn=8/5-[(4/9)^n]×5÷3 (以等边六角形面积为S1)
    limSn=8/5

    关于第二个问题,我想楼主把大家引入了一个误区:涂色是对面积进行累加,而边长的无上限是长度上的无穷,二者显然不能通过简单的累计进行比较。

  20. Pingback: 科学松鼠会 » Blog Archive » 四维盒子的展开图

  21. 初中的时候,看过一本物理科普书,好像叫趣味物理,特别棒,好像是德国人还是苏联人写的。里面就有这个问题。还记得里面介绍了一个与之类似,但是更难理解的一个问题:时间是是不是连续的?用来一只箭做比喻。具体忘了,唉唉,再次证明我不适合搞数学和物理。

    • 好像是那个“飞矢不动”的悖论,就是一支箭不可能同时既在这里又在那里,那它在任何一个时刻都应当有一个确定的位置;
      如果说在所有时刻都是固定的位置,那它就是一直静止的了?