无穷小量究竟是否为零?

无穷小量究竟是否为零?

无穷小量是否为零?

作为一名一线大学数学老师,其实我被问到类似问题的次数是比较多的。

但突然发现这个问题是知乎中比较“远古”(2012年)的问题,还是弱弱地在这里留下一个小小的回答吧~~

就现在大学生的标准分析(你的高等数学/数学分析)教材而言,这是一个已经完全解决了的问题,那就是:

所谓无穷小量,就是极限为零的变量。

很多教材里面还会补充说明一下,在所有的常量中,零是唯一的无穷小量——当然考虑的时候,仍然要从极限为零这个角度出发。

那至于什么是极限的概念,甚至包括极限概念的演进史,微积分的严格化,我想在其他的回答中早已做了清晰的表述。

这里,我仅仅以大数学家欧拉为例,看看他是怎么处理“无穷小量”的,毕竟欧拉的名著《无穷小分析引论》被认为是数学(分析)史上的里程碑,是后续很多教材专著的模板。

通过书名,首先可以确认的是,欧拉认为无穷小量是微积分(数学分析)中最关键的研究对象,没有之一。

我在前面的一个回答:

中提到过历史上抨击微积分最激烈的代表人物,当属18世纪的贝克莱主教,他在1734年(欧拉时年27岁)在《致一个不信神的数学家》中对微积分的核心概念进行了犀利的抨击,称流数(基于无穷小的“神出鬼没”的运算)为“消失的量的幽灵”。

欧拉作为当时整个数学界的领军人物,不可能不知道这种批评,但他并没有被这种批评左右,也没有做过多地理会,而是将无穷小视为工具——所谓“务实的幽灵”,将微积分的应用推广到前所未有的高度、深度和广度。

欧拉认为,无穷小“本质上是零"——任何量都可以减少直到完全消失,因此他认为无穷小在数值上就是零。

然而,处理微积分问题时,他又将dx视为“形式上非零”的量进行运算——他解释说,与有限量(非零)相比,无穷小“消失为零”,因此可以忽略,而像是“dx²”这样的高阶无穷小,更是可以“随意丢弃”。

也就是说,欧拉本人作为一个解决数学/应用数学问题的顶级高手,他深知无穷小在数学分析体系中的关键作用,但并不关心无穷小量本身的哲学或逻辑困境,而是将无穷小作为一套高效、自洽的“计算工具”,无穷小在他的手里,“既是零,也不是零”,“有时是零,有时不是零”,是自然而然的事情,像是一套灵活的工具一样。

在这种实用主义观点之下,欧拉的很多论证肯定不符合现在的所谓严格标准。

因为现在确实有些人对无穷小量同样有这种似是而非的认识,他们确实可以学习一下欧拉对无穷小的认识,看看欧拉在一个逻辑上“粗糙”的体系框架下,如何能产生如此精彩而丰富的成果。

比如他在所谓不严谨的框架下,给出了我们现在仍在使用的“基本初等函数的求导公式”(含“不严谨”计算过程),以后肯定也会一直使用下去。

比如他在未给出收敛性的前提下,从形式主义出发推导出

,

以及更为经典的欧拉公式:

,

又如他从勾股定理出发(现在的弧微分)计算伯努利双纽线的弧长,还如他研究调和级数的“无穷小尾项”时得出著名的欧拉常数:

,

从现在的观点看,这些经典结果中他的推导过程都是不严谨的,但谁又能拒绝用他的名字冠名这些伟大的结论呢???

当然我们一定要强调,欧拉的粗糙只是相对于19世纪数学家的严格标准而言的,他绝非某些同学想象的那样,“天马行空一般地乱来”。

欧拉之所以可以做到,一直不严谨,一直都正确(当然也有一些经典的/夸张的错误这里不再提了),主要是依靠他“惊人的直觉”,“深刻的洞察”,“几乎不受约束的工具主义的实用心态”——一言以蔽之,无与伦比的天赋——他在59岁双目失明之后的17年间,仍然凭借超强的记忆力与心算能力,完成了400多篇学术论文和多部著作。

所以,虽然刚才我们说有些同学可能会认为自己对无穷小量的认识“和欧拉一样粗糙”,但我们不会认为你会像欧拉一样做出如此丰富的数学成果——

因为,如果你要做欧拉的计算,你就得自己是欧拉。

所以,还是建议你抛弃幻想,好好地在现行教材的体系中,认真地学习无穷小量的概念、性质,及其在高等数学/数学分析等课程中同样丰富而深刻的应用吧。

以上。