如果在數學上規定沒有“無窮小”這個概念,整個體系會發生什麼樣的變化?

葉魚

(文/方弦)

問題是,一般的數學分析也從來沒有定義過“無窮小”這個概念啊!

或者更精確地說,在經典分析中,不存在被稱為“無窮小”的數學對象,所有“無窮小”,實際上都只是某種簡化,本身不是嚴謹的概念,但很容易嚴謹化。

舉一個“無窮小”在分析中出現的例子。對於一個由正實數組成的數列{a_n},我們有時候會說,當n趨向於無窮的時候,a_n是一個“無窮小量”。這實際上是一種形象的簡化方式。我們實際上想說的是,當n越來越大,a_n會越來越小,比任何給定的正數都要小。用數學語言,在這裡也就是數學分析的標準ε-δ語言來說的話,數列{a_n}代表了無窮小量,實際上說的是,對於任意的正實數ε > 0,都存在一個正整數N,使得對於任意n > N,都有0 < a_n < ε。在這個嚴格的定義中,我們並沒有看到什麼“無窮小”的數學對象存在。

另一個例子就是極限。對於一個函數f(x),我們會說它在x=a處的左極限,就是當x從左邊接近a時,在距離變成無窮小時,f(x)的值。但這實際上又是一種簡化的說法。用標準的ε-δ語言來說的話,我們說f(x)在x=a處的左極限是L,實際上是說對於任意的正實數ε > 0,存在一個δ,使得對於所有在a-δ和a之間的實數x,都有|f(x)-L| < ε。換句話說,就是給定一個很小的差距ε,只要x跟a靠得足夠近,那麼f(x)的值與極限L的差距總會小於ε。因為這個差距可以要多小有多小,所以有時候我們就說它是“無窮小”。但實際上,整個定義過程中並沒有涉及什麼本質上是“無窮小”的數學對象。

看了這兩個例子,“無窮小”到底是什麼,也就很清楚了。在數學分析中,我們說某個量是“無窮小”,實際上是說這個量可以要多小有多小。“無窮小”實際上就是一種操作,說明這個量取多小都沒有問題。因為這個概念實際上講的是一種操作方式,所以不能說它是個數學概念,而只是一種簡便說法而已。

當然,也有所謂的“非標準分析”,其中可以定義作為數學概念的無窮小,而這些無窮小還可以跟普通的實數一樣進行運算。只不過,非標準分析的建立非常麻煩,需要用到集合論和模型論中比較深刻的內容,要透徹理解它實際上不比直接學習一般的數學分析簡單。

也有一些數學體系,比如說Conway的超實數(surreal number),其中包含一整套表達不同無窮大和無窮小的數字,但在其上定義的分析就跟我們熟悉的微積分相差比較遠了。順帶一提,超實數有時候會用在博弈論的分析中,是一組很有趣的數字體系,如果學有餘力或者有興趣的話,值得學習一下。


Mathemlogical

牛頓——萊布尼茨創立古典微積分的基石就是依據於“無窮小”,極限微積分中也有“無窮小量”的比較一說 ,認為ε-δ數學語言中涉及的對象不是無窮小,不是一種數學概念明顯不靠譜。誰都清楚無窮小的極限是零,可以這樣說,沒有無窮小的前提鋪墊,就沒有極限的後續結論,標準分析就失去了必須的基礎,成為無源之水。然而在現實世界中卻找不到無窮小的對應物,極限微積分中認為點的大小為零,因此無法解釋線段的組成。緣次,美國數學家湯姆遜上世紀提出操作上更為簡明的非標準分析,逐漸為更多的人所瞭解。

部分相關問題

☆ 數有下限,點的大小並不為零。

☆ 筆直排列的有限點的集合組成線段。

☆幾何中的假命題

如果C是線段AB的中點,AC=BC,那麼,AC+BC=AB

證: 單位長度為1的三個點,組成線段AB, C是中點,AC=BC=2, AB=3,

於是 AC+BC≠AB

故 AC+BC=AB, 命題不真。 ——春草


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