微積分專題二——你不知道的微積分核心思想的演變

關於微積分的基本概念——微分(牛頓的和萊布尼茨的)——的本質,長時間處於爭論中。

牛頓認為,弧、弦和切線任何兩個互相的最終比都是等量的比,導數(或者流數)表示變化率,積分(或流量)是導數的逆運算;萊布尼茨認為,微分就是無窮小的差數,是定性的0,微商是微分之比,而積分(面積)是微分的和;歐拉(L.Euler,1707-1783)認為,微分是不同階的0;泊松(S.Poisson,1781-1840)認為無窮小是“小於任何同類性質的給定量”,這些量是真實存在的,而不僅僅是“幾何學家想象得一種研究方法”,微分學的目標就是求無窮小之比。

柯西繼承了牛頓的比的極限說法:當屬於一個變量的相繼的值無限地趨近某個固定值時,如果最終同固定值之差可以隨意地小,那麼這個固定值就稱為所有這些值的極限。

柯西基於“接近”的思想避免了一些早期嘗試中的缺陷。特別是,他既沒有對達到這個極限說什麼,也沒有對超過這個極限說什麼。柯西的所謂“迴避極限”的定義不提及無論怎樣達到極限,僅僅是接近並保持接近它。對他來說,這裡沒有消逝的量,於是貝克萊主教所謂消逝的量的鬼魂也就不復存在了。

微積分專題二——你不知道的微積分核心思想的演變

圖一 柯西

法國數學家龐加萊(Poincare,1854-1912)說:“我個人,而且還不只我一人,認為重要之點在於,切勿引進一些不能用有限個文字去完全定義好的東西”。他把集合論當作一個有趣的“病理學的情形”來談,並且預測說:“後一代將把(Cantor)集合論當作一種疾病,而人們已經從中恢復過來了”。

數理邏輯學家阿伯拉罕?羅賓遜(Abraham Robinson,1918~1974),1962年去美國在普林斯頓大學的一次報告中指出:現代數理邏輯的概念和方法能為“無窮小”和“無窮大”作為“數”進入微積分提供合適的框架,羅賓遜寫了《非標準分析》一書,Robinson的非標準分析,本書證明了萊布尼茨的思想能夠全面維護。

哥德爾:“我們有理由相信,不論從哪方面看,非標準分析將會成為未來的數學分析。……在未來世紀中,將要思量數學史中的一件大事,就是為什麼在發明微積分學後300年,第一個嚴格的無限小理論才發展起來。”

微積分專題二——你不知道的微積分核心思想的演變

圖二 哥德爾

一種方法,它能夠放之四海皆準,絕不會是無緣無故的。以Newton和Leibniz思想為內容而以Leibniz表達方式為形式的微積分能夠放之四海皆準,這背後一定隱藏著規律。揭示隱藏在事物背後的規律,才能建立科學的微積分原理。科學實踐證明, 以“直”代“曲”的推演和計算是精確的(而非近似的);積分是微分的直接累加(根本不須再求極限)。在Cauchy看來,Leibniz的“定性的0”的思想,Euler的“不同階0”的思想,以及Poisson的“小於任何同類性質的給定量”的思想,都不是離成功只差半步的光芒四射的思想,而是他另起爐灶的依據。Newton說:“嚴格地說,消失量的最終比不是最終量之比,而是這些無限減少的量的比的極限。”這樣的話被Cauchy繼承,而Newton光輝奪目的非自遣論斷:“弧、弦和切線任何兩個互相的最終比都是等量的比。” 這樣的充滿真知灼見的思想卻被拋到九霄雲外。從而微積分的演化歷史進入了近兩百年的歷史大迂迴時期。

人類對微積分的要求不應滿足並停留於歷史的大迂迴之中。


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