「無窮小量」令人驚豔而困惑,整個「近代數學大廈」差點因它崩潰

2021-01-09 數學真美

在這個世界上,有著一種最令人驚豔的美,那就是「無窮之美」。當我們仰望那浩瀚的星空,遙想那無垠的星辰大海,我們的心會為之震憾。「無窮之美」神秘莫測,深邃而不可觸摸,一直吸引著人類探尋真理的腳步。

然而人類是幸運的,因為人類的先行者們早就發明了無往不利的有力武器——數學。人類就是依靠這一無堅不摧的利器,一路披荊斬棘,歷盡艱辛,走出了與野獸博鬥的原始大森林,一路走到輝煌燦爛的現代文明。

回顧整部數學史所經歷的「三次數學危機」,其核心問題正是人們對「無窮之美」的無限嚮往和困惑。無論是芝諾提出的「芝諾悖論」,還是希帕索斯發明的「根號2」,還是牛頓和萊布尼茨發明的「微積分」,還是康託爾發明的「集合論」。——這些都是「無窮之美」賜予人類的智慧之光。

「芝諾悖論」提出的那一刻起,就是對「無窮之美」最為深刻而複雜的探究。它既置疑了「時空」的「無限可分」,又置疑了「時空」的「無限不可分」。從而引出了「時空」到底是「無限可分的」還是「無限不可分」的追問,因而引發出「運動」到底是「間斷的」還是「連續的」困惑,引出了「無窮小」的「時空」與「很小很小」的「時空」之間的「矛盾關係」到底要如何「統一」起來的深刻問題。

人們面對這些悖論無法解決,以至於在數千年的歲月裡,希臘的「幾何證明」總是有意地迴避著「無窮小」問題,使得數學的發展在很長的一段時間裡無法突破瓶頸。

然而,真理的光芒是無法令人迴避的,當人類文明的進程來到18世紀的時候,隨著「微積分」的誕生,「連續數學」得到了前所未有的發展,沉默了數千年的「無窮小」問題正再次慢慢地浮出水面。

1687年,牛頓在他的史詩級巨著《自然哲學數學原理》一書中公開發表他的「微積分」學說,幾乎同時,萊布尼茨也發表了「微積分」論文。「微積分」這一銳利無比的數學工具一經面世,非凡的威力頓時展現無疑,它猶如一輪火紅的太陽在近代人類文明的天空冉冉升起,各個科學領域所積壓的眾多疑難問題就如冰雪一樣消融。

然而,「微積分」的誕生和其它任何新生的事物一樣,在它的誕生之初也是不完善的。但由於它的實用價值實在太大,以至於人們忽略了其底層「邏輯體系」的建設,只顧著瘋狂地開闢「微積分」新的應用領域。

然而就在這時,人類數千年以來避而不談的「無窮小」問題忽然尖銳地擺到了人類的面前:「無窮小量」究竟是不是「零」?兩種答案都會導致矛盾。牛頓對它曾作過「常量」、「趨於零的變量」、「兩個正在消逝的量的最終比」三種不同解釋。萊布尼茲曾試圖用和「無窮小量」成比例的「有限量的差分」來代替「無窮小量」。但是,他們始終無法解決「無窮小量」是不是「零」的問題,也無法解釋「極小極小的有限量」與「無窮小量」之間到底是怎樣的關係。這一問題令「微積分」的兩大創始人牛頓和萊布尼茨也束手無策。「無窮小量」如一匹不羈的野馬,桀驁不順而又拿它沒有辦法。

1734年,本來就反對科學的宗教勢力趁機向新生的「微積分」發起了攻擊,其中英國的大主教貝克萊的攻擊尤其猛烈,剛剛建立起來的「近代數學大廈」搖搖欲墜,第二次數學危機爆發了。

為了挽救新生的「微積分」,全世界的數學家都積極地行動了起來,開始了長達半個世紀的艱辛努力。其中貢獻最大的就是大數學家歐拉,他堅持認為在「求導數」的運算中,其結果應該是「0/0」,他同時明確地指出,「數學分析」的中心應該是「函數」,並對「函數」的概念作了深化,第一次強調了「函數」的角色,彌補了牛頓和萊布尼茨建立「微積分」之初僅限於研究「曲線」而極少涉及「函數」的缺陷。

有人說,雖然「微積分」是因牛頓和萊布尼茨而誕生的,但是真正讓「微積分」長大成人的卻是歐拉。「微積分」與「分析學」使得「近代數學大廈」得到了前所未有的鞏固,歐拉接著把整個「數學」推至「物理」領域。

人們都說,如果沒有歐拉的工作,新生的「微積分」就會夭折,就不可能出現「分析學」。如果沒有「微積分」和「分析學」,就不可能對「機械運動與變化」進行精確計算,就不會出現近代巨大的科技成就。

正是在歐拉的努力下,不僅避免了「微積分」被夭折的命運,反而進一步拓展了「微積分」其應用,並因此產生一系列新的「分支」,這些「分支」與「微積分」統一起來,形成了一門嶄新的「分析學」。使得現代數學形成了代數、幾何、分析三足鼎立的局面。歐拉也被尊為「分析的化身」。

除了歐拉,還有一大批數學家的貢獻也是無可替代的。柯西在1821年的《代數分析教程》中指出「無窮小量」不是固定的量而是「變量」,「無窮小量」是「以零為極限」的「變量」,在此基礎上,給出了現在通用的「極限」和「連續」的定義,並把導數、積分嚴格地建立在「極限」的基礎上。也就是說,正是因為柯西用「極限」的方法「嚴格地」定義了「無窮小量」,才將能量無比巨大的「無窮小量」帶上了「緊箍咒」。

19世紀70年代初,威爾斯特拉斯、狄德金、康託爾等人獨立地建立了「實數理論」。接著在「實數理論」的基礎上,建立起「極限論」的基本定理,從而使「數學分析」建立在了「實數理論」的「嚴格基礎」之上。

「第二次數學危機」的影響是巨大而深遠的。新生的「微積分」經過這次「危機」的洗禮,其底層的「邏輯基礎」更加完整而系統,極大地促進了19世紀的數學的「分析的嚴格化」、「代數的抽象化」以及「幾何非歐化」的進程。

這次危機之後,「微積分」在各個科技領域大顯身手,解決了大量的數學、天文、數學問題,大大推進了「工業革命」的發展,同時也徹底解決了延續了數千年的「無窮小」問題。

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  • 數學史上的三次數學危機
    無理數的發現,引起了第一次數學危機。首先,對於全部依靠整數的畢氏哲學,這是一次致命的打擊。其次,無理數看來與常識似乎相矛盾。在幾何上的對應情況同樣也是令人驚訝的,因為與直觀相反,存在不可通約的線段,即沒有公共的量度單位的線段。
  • 世界數學史上的三次數學危機
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  • 他的地位低下,卻是「極限」思想的最早提出者,一生獻給了數學
    綜觀人類的整個數學發展史,「極限」始終做為一條重要的線索,貫穿於其中,起到了至關重要的作用。中國古代很多的數學成果,一直都是遙遙領先於世界的,直至「極限」思想的提出之後,才開始慢慢地落後於世界。1667年,英國數學家牛頓與萊布尼茨完成了「微積分」的創立,但他們最初還沒有意識到「極限」思想的重要性,所以他們最先是在「無窮小」概念的基礎上建立起「微積分」的。