Die Ameise auf dem Gummiband, oder eine seltsame Mathematikaufgabe

Als eines meiner #mathepuzzle auf Twitter gab es folgendes:

Eine Ameise sitzt am Ende eines 1 m langen Gummibandes und krabbelt mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s zum anderen Ende. Das Gummiband wird aber pro Sekunde um 1 m gedehnt. Erreicht die Ameise je das andere Ende des Gummibandes?

Erste Erklärung:
Wir modifiziern das Problem ein bisschen.
Jede volle Sekunde wird das Gummiband mit einem Ruck um 1 m gestreckt, das erste Mal schon, wenn die Ameise loskrabbelt. Das ist für die Ameise ein Nachteil, das Band früher länger ist.
Außerdem drücken wir die Position der Ameise als Anteil an der Gesamtlänge des Gummibandes aus.
Das Band wird also auf 2 m gestreckt, dann krabbelt die Ameise 1 cm, das ist $\frac{1}{200}$ der Bandlänge. also hat sie die Position $\frac{1}{200}$ der Länge des Bandes. Dann wird das Band auf 3 m gestreckt, die Ameise behält die relative Position und krabbelt wieder 1 cm, also $\frac{1}{300}$der Bandlänge und hat die relative Position $\frac{1}{200}+\frac{1}{300}$. Dann wird das Band auf 4 m gestreckt, die Ameise behält die relative Position und krabbelt wieder 1 cm, also $\frac{1}{400}$ der Bandlänge und hat die relative Position
$\frac{1}{200}+\frac{1}{200}+\frac{1}{400}$.

Nach n Schritten hat die Ameise die relative Position
$\frac{1}{100}(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+ \ldots + \frac{1}{n})$

Diese Summe wird beliebig groß, also größer als jede vorgegebene Zahl, und daher kann die Ameise das Ende erreichen.

Eine andere Erklärung:
Wir bleiben bei der Modifikation, dass das Band jede volle Sekunde
ruckartig um 1 m gestreckt wird.
Wir machen am Gummiband alle 5 mm eine Markierung. Da das ganze ursprünglich 1 m lange Band jede Sekunde um 1 m länger wird, wird jedes Stück zwischen 2 Markierungen jede Sekunde um 5 mm länger.
Nehmen wir jetzt eines dieser (anfänglich) 5 mm langen Stücke her, z.B. eines, das gerade 100mm lang ist. Wenn die Ameise den Anfang dieses Stücks erreicht, dann wird das Stück einmal auf 105 mm verlängert. Dann krabbelt die Ameise 10 mm. Bleiben 95 mm. Dann wird wieder verlängert, die 95 mm werden 100 mm (sogar ein bisschen weniger, weil ein Teil der zusätzlichen 5 mm auch das 10-mm-Stück hinter der Ameise verlängert). In der nächsten Sekunde geht die Ameise wieder 10 mm, bleiben 90 mm, die werden auf 95 verlängert usw. Die Ameise hat nach 20 Sekunden das anfänglich auf 100 mm gestreckte 5-mm-Stück (das inzwischen 200 mm lang ist) hinter sich. Jedes beliebig gedehnte ursprüngliche 5 mm lange Stück wird also in endlicher Zeit absolviert. es gibt 200 solcher Stücke, also muss man die 200 Zeiten addieren, erhält eine Summe uns sieht, dass es sich ausgeht.

Ein Excel-Workbook, in dem das durchgerechnet wird, gibt es zum Herunterladen.

Die klassische mathematische Lösung

Wenn man genau wissen will, wie lange es unter den originalen Bedingungen dauert, muss man zu höherer Mathematik (Differentialgleichungen) Zuflucht nehmen.
Jetzt wirs also mathematisch anspruchsvoller!
Die Geschwindigkeit der Ameise setzt sich aus 2 Komponenten zusammen: 1 cm/s kommt vom Krabbeln, dazu kommt aber noch, dass die Ameise beim Dehnen des Gummibandes mitgenommen wird.
Wenn die Ameise also schon 1/4 des Bandes absolviert hat, ist ihre „Bandgeschwindigkeit“ 1/4 davon.
Das Band wird mit 100 cm/s gedehnt, hat also zum Zeitpunkt $t$ die Länge $100+100 t=100(1+t)$.
Ist die Ameise zum Zeitpunkt t an der Stelle x(t), dann hat sie die Bandgeschwindigkeit $100\frac{x(t)}{100(1+t)}=\frac{x(t)}{1+t}$
Die Geschwindigkeit ist die erste Ableitung des Ortsfunktion x(t), also gilt $x'(t)=1+\frac{x(t)}{1+t}$.

So etwas löst man heutzutage mit einem Computer-Algebra-Programm, zum Beispiel mit dem kostenfrei verfügbaren Maxima (bzw. wxMaxima), erhältlich von maxima.sourceforge.net/.

Hier ist der Code zur Lösung:

sol : ode2('diff(x,t)=1+x/(1+t),x,t);   
ic1(sol,t=0,x=0);

Wir erhalten die Lösung $x(t)=(t+1)\log(t+1)$

Diese Lösung der Differentialgleichung ist noch nicht die Antwort auf unser Problem,
sie gibt ja nur an, wie weit die Ameise zur Zeit t gekommen ist.

Wir überprüfen also noch, ob es einen Zeipunkt gibt, an dem die Wegstrecke der Amseise
mit der Bandlänge gleich ist. Das machen wir natürlich wieder mit Maxima.
Hier ist der Code zur Lösung:

solve((t+1)*log(t+1)=100*(1+t),t);

Wir erhalten die Lösungen

[t=%e^100-1,t=-1]

Es dauert also $e^{100}-1$=2.6*10^47 Sekunden, dann hat die Ameise das Bandende erreicht.
Wie lange ist das in anderen Zeiteinheiten?
1 Jahr hat 3.2*10^7 Sekunden, also dauert das 8.1*10^35 Jahre.
Das Alter des Universums wird derzeit auf 1.4*10^10 Jahre geschätzt, also braucht die Ameise 5.8*10^25 mal das Alter des Universums.

Und wie lange ist das Band dann? Rechnet man $100(1+t)$ für $t=e^{100}$ aus, dann ergibt das 2.6*10^45 cm = 2.6*10^40 km.
Der Durchmesser der Milchstraße ist ungefähr 10^5 Lichtjahre oder 9.6*10^12 km.

Wenn die Ameise also das Ende des Gummibands erreicht, dann ist das Gummiband so lange wie 2.8*10^28 mal der Milchstraßendurchmesser.

Dauert also, und braucht ziemlich viel Platz.

Meine Überlegungen sind die Aufbereitung dieses Artikels in der englischen Wikipedia.

Diese Aufgabe hat übrigens eine Parallele in der Astrophysik: Man ersetze die Ameise durch ein Photon. Wenn sich das Universum mit fester Geschwindigkeit ausdehnt, dann erreicht uns Licht auch von den entferntesten Galaxien. Wenn die Ausdehnungsgeschwindigkeit zunimmt, dann kann es sein, dass es Galaxien gibt, deren Licht uns nie erreicht.

Nachtrag für Nerds:
Der folgende QR-Code führt zu einer Website, die den Code aus dem Beitrag ausführt.

Es gibt auch eine Excel-Arbeitsmappe, in der man mit der Bandgeschwindigkeit experimentieren kann.