我們現(xiàn)在學(xué)習(xí)的高等數(shù)學(xué)是柯西在1821年初,經(jīng)過10名數(shù)學(xué)家,在近一個世紀的時間里,1902年勒貝格建立了測量理論,宣告完善的體系。最后,教科書的表達形式是20世紀30年代布爾巴基學(xué)派確定的。
撇開一些龐雜的理論叢林,我們抽出這個體系中關(guān)于微積分原理的部分,下面通過例3和例4來說明。我們先介紹這個體系中最重要的一個概念——極限,它是一個確定的數(shù)a,如果有一個數(shù)的序列{xn},隨著n的增大,xn越來越接近a,以至于當n足夠大時,序列后面的數(shù)全都落在一個以a為中心的以ε為半徑的區(qū)間之內(nèi),我們就說這個序列的極限是a。寫成規(guī)范形式,即:
極限描述
極限定義
極限舉例
可以看出,這里所說的極限是一個數(shù),同時把我們頭腦中的極限過程(越來越接近)用不等式的方法給予表達,而且,這種表達確實可以形象地稱為"要多近有多近"。但是,只要ε不為零,序列中的數(shù)和極限便不一定相等。這便是數(shù)學(xué)中極限的思想,它給出的是證明的方法,并沒有給出計算的方法,在實際運算過程中,我們需要憑直覺或其他方法猜出這個數(shù),然后再證明之。
例3:現(xiàn)行體系的導(dǎo)數(shù)和微分
現(xiàn)行體系的導(dǎo)數(shù)與微分
導(dǎo)數(shù)與微分-1
導(dǎo)數(shù)與微分-2
導(dǎo)數(shù)的問題似乎解決了,那么微分是什么呢?書上說,微分ds是增量的線性部分,對于增量s,其線性部分即3t^2t,于是ds=3t^2t,然后認為微分dt就是t,于是ds=3t^2 dt。
這便是現(xiàn)行體系的微分和導(dǎo)數(shù)原理。在這里,導(dǎo)數(shù)是一個極限,微分ds是增量的線性部分,而dt就是增量t自身,它們并不要求非常小,而可以是任意的有限量,即微分不微。
數(shù)學(xué)之美
例4:現(xiàn)行體系的不定積分和定積分
對于函數(shù)s=s(t),我們求出其導(dǎo)數(shù)v(t)和微分ds=v(t)dt,并直接稱s(t)為v(t)的一個原函數(shù),由于s(t)+C(C為任意的一個常數(shù))的導(dǎo)數(shù)都是v(t),于是它們都是v(t)的原函數(shù),記作∫v(t)dt=s(t)+C。
這便是現(xiàn)行體系中的不定積分??梢钥吹?,它并沒有具體的計算方法,只是給原函數(shù)起了一個新的名字——不定積分。多說一句,僅僅引入新的名字而沒有也沒有能力做深入的解釋,在計算上依然沿用萊布尼茨和歐拉所開創(chuàng)的方法,這是現(xiàn)行微積分體系的一個癥結(jié)。
我們求曲線v=v(t)與坐標軸所謂的面積,即所謂的定積分?,F(xiàn)行體系的方法是,
現(xiàn)行體系的不定積分與定積分
定積分-1
定積分-2
上述例3和例4反映了現(xiàn)行微積分體系的演繹思路,它相比于例1和例2所展示的演繹思路(萊布尼茨、歐拉等人的),顯得復(fù)雜而崎嶇,同時也難以讓人一眼便指出荒謬之處。但這個體系并沒有真的解決第二次數(shù)學(xué)危機,并沒有徹底解決微分是什么,到底是不是0的問題。除了給出了極限思想的數(shù)學(xué)表達,它更多的是對原有體系中概念的重新解釋和命名。我們對它的評價可以概括為,第一遮掩了微積分學(xué)科發(fā)展的根本矛盾,從而阻礙其發(fā)展;第二,由于避開直覺,核心概念形式化,導(dǎo)致整個微積分學(xué)科的支離破碎。
那么,究竟什么才是正確的微積分原理呢?
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