很多人以為自己是數學天才,直到遇見了極限

2020-12-04 吳國平數學教育

反比例函數是大家接觸最早和最熟悉的函數之一,它的函數解析式是y=k/x(k為常數,k≠0)。我們利用反比例函數的解析式,就可以畫出它的圖像,如下圖所示:

根據函數的圖像可知,在k>0情況下的第一象限內,反比例函數中x的值無限變大,大到無窮的時候,曲線就不斷向x軸靠近,換句話說y的值逐漸向「0」靠近;或者是y的值無限變大,曲線就不斷向y軸靠近,x的值逐漸向「0」靠近。

此時,有些人就會產生一些疑問,當這個x的值取到非常大、非常大、非常大的時候,y的的值和「0」之間存在什麼樣的關係呢?會相等嗎?

對於類似這樣的疑惑,我們從現代數學「極限」的角度出發,就很好回答,但在幾百年前,像這樣的問題在當時卻屬於一個世界性的難題。

我們知道,對於某一個函數,假設其中的某一個變量x,它在無限變大(或者變小)的這一變化過程中,導致另一個變量y逐漸向某一個確定的數值m不斷地靠近,不過最終的結局只能是不斷的接近「m」,卻永遠都無法跟「m」重合。

簡而言之,某一變量x處於無限變大或無限變小這一變化過程,那麼另一個變量y的值永遠都不會等於m,但只要變量x一直處於無限變大或無限變小中,那麼y的值可以取等於m,這就是極限的思想。

因此,如果一個人要想理解「極限」這一抽象數學概念,那麼就需要學會接受和明確知道極限是一種「變化狀態」的描述,變量y有不斷地努力靠近m點的趨勢。此時,變量y永遠趨近的值m就叫做「極限值」。

極限作為微積分、數學分析等重要內容的基礎,可以說是初等數學邁入高等數學一個關鍵門檻。正如所有的數學知識概念出現的背景一樣,極限也是屬於社會經濟發展和科學技術之間產生的「矛盾」產物。

在早期16世紀的歐洲,一些國家開始進入資本主義萌芽階段,整個社會處於快速變革狀態,生產力得到極大的發展,出現一些最基本的工業化。人們在發展過程中,發現很多生產技術都出現問題,跟不上社會發展的速度,當時的數學知識已經無法順利解決一些「變化的量」,如運動變化、天文學、機械化、航海、採礦、大壩建造等,都需要新的數學知識才能解決。

初等數學很多時候只能解決一些相對「穩定」的量,但在現實工作生活中,充滿了大量「變化的量」,這就要求數學必須突破現有的知識壁壘,能夠找到一種可以描述和研究運動、變化過程的新數學知識,最終解決這些「變量」問題。基於當時這樣的社會發展背景,數學家都努力嘗試突破傳統的思維模式,直接促進「極限」思維的形成和發展,從而建立微積分等重要數學分支。

最早的時候,牛頓和萊布尼茨在各自的領域創立了微積分,讓「極限」的發展擁有了正是展開拳腳的舞臺。在當時,微積分一經創立誕生,就幫助很多人順利解決了以往在運動變化、力學、天文學等中認為束手無策的難題,數學也迎來了新的發展。

不過,牛頓和萊布尼茨所創立的微積分並不是十分完善,特別是在一些關鍵疑難點沒有講清楚,如「無窮小量」的解釋,邏輯上存在著很多混亂,儘管當時的「初始微積分」已經能輕而易舉解決一些實際工作中的難題。

就像牛頓的瞬和流數或是萊布尼茨的dx和dy,都需要解決和講清楚「無窮小量」這一特殊概念,但這兩位偉人都沒有給出明確、嚴謹的定義。

為什麼「無窮小量」會這麼重要呢?

我們都知道,在微積分的推導或運算過程中,常常需要先用「無窮小量」作為分母進行除法,然後又把「無窮小量」當作零來處理,以消除那些包含有它的項。

那麼問題就來了,「無窮小量」究竟是零還是非零呢?

因為如果它是零,怎麼能用它去作除數呢?如果它不是零,又怎麼能把包含它的那些項消除掉呢?這種邏輯上的矛盾,直接或間接影響微積分的發展,更讓所有數學家不僅意識到「極限」這一概念的重要性,更明白極限思想的進一步發展是與微積分的建立緊密相聯繫的。

當時的人們束縛於狹小的觀念裡,還是以傳統的數學思維方式去看待「極限」,試圖用「零誤差」去進行變量計算,這樣的思維方式只能導致悖論的發生,這就是數學史上所說的「無窮小量」悖論產生的原因。

牛頓和萊布尼茨在晚期都不同程度地接受了極限思想,也都努力去嘗試解決這一「神秘」概念,試圖以極限概念作為微積分的基礎。

很多可惜,牛頓和萊布尼茨為都無法完整得出極限的嚴格表述。

雖然當時的人們沒有弄清楚「極限」這一概念,但微積分的出現,確實促進社會的發展。隨著微積分應用的更加廣泛和深入,大家都意識到需要解決「極限」這一問題,要有嚴謹、邏輯的數學語言對其進行完整描述。

加上人類文明不斷向前進步,遇到的問題越來越複雜,這就要求數學必須推出明確的概念、合乎邏輯的推理和運算法則。

進入19世紀之後,法國著名數學家柯西比較完整地闡述了「極限」的概念,以及相關的理論。柯西在《分析教程》中指出:當一個變量逐次所取的值無限趨於一個定值,最終使變量的值和該定值之差要多小就多小,這個定值就叫做所有其他值的極限值,特別地,當一個變量的數值(絕對值)無限地減小使之收斂到極限0,就說這個變量成為「無窮小量」。

柯西把「無窮小量」視為「以0為極限的變量」,這就準確地確立了「無窮小量」概念,「無窮小量」就是極限為「0」的變量,在變化過程中,它可以是「非零」,但它的變化趨向是「0「,無限地接近於「0」,可以人為用等於0方式去處理。

直白地講,在變量的變化過程中,它的值實際上不等於「0」,但它變化的趨向是向「0」,可以無限地接近於「0」,那麼人們就可以用「等於0」的方式來處理,就不會產生錯誤的結果。

極限論正是從變化趨向上說明了「無窮小量「與「0「的內在聯繫,從而澄清了邏輯上的混亂,完善了微積分的發展。

柯西在《分析教程》中,不僅對極限概念進行基本明確的敘述,並以極限概念為基礎,對「無窮小量「、無窮級數的「和」等概念給出了比較明確的定義。

「極限」這一重要理論之後又經過波爾察諾、魏爾斯特拉斯、戴德金、康託等人的努力工作,進一步把極限論建立在嚴格的實數理論基礎上,並且形成了描述極限過程的ε-δ語言。

要想學好高等數學,就要弄清楚「極限」這一重要概念,認識到它是一個動態無限變化的過程,這樣變化的趨勢可以等於某一個常量。這一極限思想是建立微積分理論的重要思想基礎,對數學等眾多學科的發展有著的重大意義。

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