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No.486 現実的無限大

投稿日時: 2023/08/17 システム管理者

「幾何級数(指数関数)的に成長する」という言い回しは,日常語でよく使われる.数列 $$ \{b_1, b_2, b_3, ……..\} $$で,$${b_{n+1}=b_{n}q}$$のような数列を幾何級数と呼び,$${q}$$は公比である.次のようにも書ける$${b_n=b_1q^{n-1 } }$$

$${q>1}$$なら数列は増加し,$${0<q<1}$$ なら数列は減少する.

幾何級数的に説明できるいくつかの例を見てみよう.1.チェスの起源に関する最も有名な伝説がある.昔々,古代インドで,セッサという賢者が新しいゲームのルールを考案し,シェラム王にプレゼントした.王は魅了され,ゲームの考案者に自分の報酬を選ぶよう招いた.彼は自分の報酬を次のように選んだ.王様は,ボードの最初のマスに小麦を1粒置く,2番目のマスに2粒,3番目のマスに4粒というように,次のマスには前のマスの2倍の麦粒を置かなければならない.幾何級数的な増加である.$${b_1=1}$$,$${q=2}$$という「ささやかな」要求を満たすことは不可能だった.地球全体の収穫を何千年もかけて行わなければならない量である.

2.幾何級数の想像を絶する成長は,ただ紙を折るだけでも感じることができる.二つ折りにすると紙の厚さは2倍になり,それを二つ折りにすると4倍になる.すぐに実践できる実用的な可能性がなくなってしまう.一枚の紙を42回折ることができたと仮定すると,その厚さは地球から月までの距離よりも大きくなる.

 

 

 

 

3.数列が減少する性質の例:冒頭の図のように歯車の連鎖を作ってみよう.歯車の連鎖は前の連鎖の5倍遅く回転するとする.この連鎖は十分に長いと仮定する.もし,最初の歯車の車軸を高速で回転させ始めたとしても,最後の歯車は実質的に回転しない.例えば,連鎖に17個の歯車があり,最初の歯車が1秒間に1回転するとすると,「20年後」最後の歯車は1/1000回転もしない.だから,壁に永久に固定したも同然である.この先何年もの間,動かないのだ!これは儚い人間の人生から見れば,実用的無限といえる.「指数関数的に成長する」という表現は,これに非常に近い意味を持つ.

もしパラメータ$${n}$$が離散時間であるなら,$${b_{n+1}=b_1q^n}$$の式は,時間における量の急激な変化の記述とみなすことができる.高速連続過程では,$${y(t)=bq^t}$$の形の関数が現れ,これは指数関数と呼ばれる.したがって,関連する用語は指数関数的成長である.

応用:私たちを取り巻く世界
数学:幾何級数

『数学的構成要素』p.94-95より抜粋