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11 最不一般的蛋糕配方

冰淇淋婚礼蛋糕真是一种艺术。表面必须光滑但又足以支撑上面的蛋糕层,细腻的糖冰花又必须与新娘的捧花颜色相匹配。我们将要讨论烘焙和冰制一个非常不同寻常的婚礼蛋糕。它有许多层,每一层都是一个单位高度实心圆柱体。当我们从第一层往上走,到第二层、第三层,直到第 n 层,尺寸越来越小。如果首层的半径为1,则第二层的半径为1/2,第三层的半径为1/3,直到第 n 层的半径为1/ n

一个半径为 r ,高度为1的圆柱体的体积为π r 2 ×1,因为它是面积为π r 2 的圆堆积到高度1。这个圆柱体的外侧表面积是一个周长为2π r 的圆周堆积到高度1,所以等于 2π r ×1。这些公式告诉我们,这个特殊蛋糕第 n 层的体积为π×(1/ n 2 )×1=π/ n 2 ,并且它的外侧表面需要被冰化的面积为2π×(1/ n )×1=2π /n 。这只是第 n 层的体积和表面积。要制成共 n 层的全部蛋糕,我们必须把每一层(1,2,3,…, n )的体积和面积加起来。

图1

现在想象一个非常不同寻常的蛋糕:一个有无限层的蛋糕。它的总体积将是无限层体积的总和:

这个无限项之和的了不起之处就在于,它是一个有限数。逐项数的大小迅速减小致使这个级数收敛于π 2 /6,近似1.64。我们只需要有限的蛋糕材料就能制作出一个无限层数的婚礼蛋糕。

接下来,我们要给它上冰了。为此我们需要知道要制多少冰,因此我们应该计算总表面积(我们将忽略在每一层顶部由上一层放置而留下的宽度为 - 的环形面积——你很快就会知道为什么这么做不要紧)。需要上冰的总面积是无限层蛋糕的表面积的总和:

这个和是无限的。项为 的级数不能够收敛于一个有限结果。当总和中包括足够多的项时,我们总可以使结果无限大。这很容易看出来 ,因为这个级数之和一定大于下面这个级数 其中下一个(…)中将包含8个 而再下一个(…)中将包含16个 因此每个括号里的项的总和为 。这显然是将有无限多个项,因此级数的总和等于1加上无限个 ,仍是无限的。我们的总和大于它,因此也一定有个无限大的和:我们无限2层蛋糕的表面积也将是无限的。(这就是为什么我们不必关心加上那些每层顶部的圆环制冰面积了。)

这个结果非常令人震惊 [1] ,完全违反直觉:我们的无限层的蛋糕配方要求做一个有限体积的蛋糕,但它永远不会被上冰,因为它具有无限的表面积!

[1] 在实际中,我们不能做一个有任意多层数的大小递减的蛋糕。如果我们允许每层减小一个10 -10 米的原子大小,底层半径为1米,那么第10亿层将为一个原子的大小。 9fdovZAlXzA5Hg0J1tPurb7yMuFcSIh1vYxrPnF2lXm7nghZGaz/lXRO1Gi/PKmJ

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