如果在数学上规定没有“无穷小”这个概念,整个体系会发生什么样的变化?

葉鱼

(文/方弦)

问题是,一般的数学分析也从来没有定义过“无穷小”这个概念啊!

或者更精确地说,在经典分析中,不存在被称为“无穷小”的数学对象,所有“无穷小”,实际上都只是某种简化,本身不是严谨的概念,但很容易严谨化。

举一个“无穷小”在分析中出现的例子。对于一个由正实数组成的数列{a_n},我们有时候会说,当n趋向于无穷的时候,a_n是一个“无穷小量”。这实际上是一种形象的简化方式。我们实际上想说的是,当n越来越大,a_n会越来越小,比任何给定的正数都要小。用数学语言,在这里也就是数学分析的标准ε-δ语言来说的话,数列{a_n}代表了无穷小量,实际上说的是,对于任意的正实数ε > 0,都存在一个正整数N,使得对于任意n > N,都有0 < a_n < ε。在这个严格的定义中,我们并没有看到什么“无穷小”的数学对象存在。

另一个例子就是极限。对于一个函数f(x),我们会说它在x=a处的左极限,就是当x从左边接近a时,在距离变成无穷小时,f(x)的值。但这实际上又是一种简化的说法。用标准的ε-δ语言来说的话,我们说f(x)在x=a处的左极限是L,实际上是说对于任意的正实数ε > 0,存在一个δ,使得对于所有在a-δ和a之间的实数x,都有|f(x)-L| < ε。换句话说,就是给定一个很小的差距ε,只要x跟a靠得足够近,那么f(x)的值与极限L的差距总会小于ε。因为这个差距可以要多小有多小,所以有时候我们就说它是“无穷小”。但实际上,整个定义过程中并没有涉及什么本质上是“无穷小”的数学对象。

看了这两个例子,“无穷小”到底是什么,也就很清楚了。在数学分析中,我们说某个量是“无穷小”,实际上是说这个量可以要多小有多小。“无穷小”实际上就是一种操作,说明这个量取多小都没有问题。因为这个概念实际上讲的是一种操作方式,所以不能说它是个数学概念,而只是一种简便说法而已。

当然,也有所谓的“非标准分析”,其中可以定义作为数学概念的无穷小,而这些无穷小还可以跟普通的实数一样进行运算。只不过,非标准分析的建立非常麻烦,需要用到集合论和模型论中比较深刻的内容,要透彻理解它实际上不比直接学习一般的数学分析简单。

也有一些数学体系,比如说Conway的超实数(surreal number),其中包含一整套表达不同无穷大和无穷小的数字,但在其上定义的分析就跟我们熟悉的微积分相差比较远了。顺带一提,超实数有时候会用在博弈论的分析中,是一组很有趣的数字体系,如果学有余力或者有兴趣的话,值得学习一下。


Mathemlogical

牛顿——莱布尼茨创立古典微积分的基石就是依据于“无穷小”,极限微积分中也有“无穷小量”的比较一说 ,认为ε-δ数学语言中涉及的对象不是无穷小,不是一种数学概念明显不靠谱。谁都清楚无穷小的极限是零,可以这样说,没有无穷小的前提铺垫,就没有极限的后续结论,标准分析就失去了必须的基础,成为无源之水。然而在现实世界中却找不到无穷小的对应物,极限微积分中认为点的大小为零,因此无法解释线段的组成。缘次,美国数学家汤姆逊上世纪提出操作上更为简明的非标准分析,逐渐为更多的人所了解。

部分相关问题

☆ 数有下限,点的大小并不为零。

☆ 笔直排列的有限点的集合组成线段。

☆几何中的假命题

如果C是线段AB的中点,AC=BC,那么,AC+BC=AB

证: 单位长度为1的三个点,组成线段AB, C是中点,AC=BC=2, AB=3,

于是 AC+BC≠AB

故 AC+BC=AB, 命题不真。 ——春草


分享到:


相關文章: