导数的结果应该是严格的特定的0/0——如欧拉所言(4)(续7月4日稿),下面我们就来说一说关于导数的概念有八个?我们一起去了解并探讨一下这个问题吧!

导数的概念有八个(导数的结果应该是严格的特定的0)

导数的概念有八个

导数的结果应该是严格的特定的0/0——如欧拉所言(4)(续7月4日稿)

4 关于(0/0)的思考

4.1 初等数学以及代数中不允许(0/0)的规定是正确的

在初等数学以及代数中,不允许0做分母,尤其不能允许0÷0。为什么?其实道理很简单,说明如下。

在乘法运算中,有一个规定:任意数

m×0=0。 (m≠0) (4.1.1)

于是有

m×0=0=n×0 (m≠0,n≠0) (4.1.2)

(因为二者都等于零,虽然m一般不等于n)。

现在我们用0同时除以(4.1.2)的两侧,即

(m×0) /0=0/0= (n×0) /0 (4.1.3)

按照除法的规定,我们应该把等式两边的分子与分母的0约掉。而因为无法区别分子的0和分母的0有没有差别,所以我们应该也只能认为这些0都是相等的。于是从(4.1.3)我们得到:

m=1=n (4.1.4)

这个结果显然是非常荒谬的。

(4.1.1)开始,到(4.1.4)的结果,在哪里的运算出现了错误呢?

显然,从(4.1.1)到(4.1.2),以及从(4.1.2)到(4.1.3)的运算的结果都是正确的。

错误肯定是在从(4.1.3)到(4.1.4)。

可是在算术中,已经规定:

a÷a = 1 (4.1.5)

现在上面的运算结果则提示我们,在(4.1.5)的除法规定中有例外,即必须规定:

a ≠ 0 (4.1.6)

于是数学家认识到,只有在a ≠ 0, (4.1.5)才成立,并且统一规定:在数学中绝对不允许(0/0)。

至于有限数m 除以0,结果只能是无穷大。显然没有什么实际意义。

因此在初等数学以及代数中0不允许做分母的规定是完全正确的。这是一个正确的规定,是一个真理。

4.2 “极限回避”源于形式逻辑的三段式推理

“极限回避”显然源于此。详细些说,它源于形式逻辑中的三段式推理:

①(大前提)在以前的数学中已经证明了除法运算中(0/0)是不合理的,不能允许;

②(小前提)求导数的运算中出现了(0/0):

③(结论)2中的运算有问题,不能允许。

根据形式逻辑,上面的三段式推理当然是正确的。于是“回避”的说法应运而生(幽默一下,使人想起“三十六计,走为上计”)。

但是三段式推理不管、也管不了大前提。而按照唯物辩证法,应该全面地、联系地、发展地看问题。因此首先应该研究的恰恰是这个推理的大前提是否正确。其实我们不难理解:代数中的不允许0/0的结论乃是在一定的条件下得出的,因此是相对真理。根据唯物辩证法的真理观,它不是、也不可能是绝对真理

4.3 微积分中允许dy/dx=0/0=… 是正确的

本节的讨论已经说明了Δx→0的含义是Δx逐渐趋近并且最终等于0。同时随着Δx→0的过程,Δy也逐渐趋近并且最终等于0。但是不论从计算中,还是从图象中,我们都发现它们趋近并且最终等于的不是同一个0 ,它们各自趋近的是不同的0。Δx→0表示的是自变量的变化量(即x1-x)逐渐趋近并且最终等于0,我们不妨称它为基准0或自变量0,或者干脆称之为自变量单子(关于单子概念的解释请看§4中的说明)dx;相应的Δy→0表示的则是函数的变化量(即y1-y)(y1的1是y的下标。下面相同。)逐渐趋近并且最终等于0,可以称之为函数的变化量0即函数单子,在抛物线的情况下是 2axdx。所以在大多数情况下,这两个0确实是不相等的。换句话说,dy、dx乃是代表新关系的、由原函数派生出的单子。于是一方面由于它们都是单子即点,自然dy=0,dx=0,即它们确实都是0。但是另一方面,由于dy是从原来的函数派生出来的,而dx则是由原来的自变量派生出来的,所以这两个单子即点并不一定相等。从图象中很容易看出,它们各自趋向不同的点,即不同的0。它们的比值就是原函数的可导点处的导数这证明了点有大小。如果考虑到曲线的积分元即积分单子ds,更容易发现“点”确实有大小。所以欧拉的意见是正确的,0确实可以有大小。微积分中的点不同于初等几何中的点。

求导数的运算中出现的dy/dx=0/0=… 是从有限量的运算推出的,在开始的时候借助了代数学。但是它依据的是连续量,得出的是依赖于原函数、反映原函数内部关系的、只等于确定的数值的特定的(0/0)。此(0/0)非代数中的(0/0),二者完全是两回事。所以这里的(0/0)也是正确的,应该允许它存在。这个时候微积分已经进入了自己的“领地”。当然这里允许的(0/0)也是相对真理。在本节中的例子中出现的导数dy/dx=(0/0)=2ax说明的是在Δy随Δx的消失而消失的时候,即在每一个可导点处,变量x的函数y对变量x的依赖关系依然存在。现在已经很显然,2ax是原函数隐含的内在的新关系的有意义的项,而aΔx则是在 Δx≠0的情况下引出的误差。于是dy/dx=0/0=2ax这一等式说明的是在Δy随Δx的量的消失而消失的时候,即在每一个可导点处,变量x的函数y对变量x的依赖关系依然存在。

可是,我们无法在(0/0)中看出这一点,还会引起混乱(事实上它已经引发了数百年的争论)。也许,一个可行的办法是把分母的0和分子的0分别标志为函数增量0(0y)和自变量增量0(0x)。可是,莱布尼茨聪明地利用dx代替消失了的Δx,而随Δx的消失而消失了的Δy自然应该变成dy(用马克思的话说则是:特定的(0/0)穿上了节日的制服)。毫无疑问,dy和dx的值都是0。恰恰因为如此,导数的准确值才代替了预备导函数中的近似值。[19]

在本文中,我们是以函数y=ax^2为例进行讨论的。但是毫无疑义,它的结论——导数这一新关系乃是隐含于原函数中的新关系——可以很容易地推广到其他可导函数地求导运算中,因而是普遍适用的。马克思明确地指出了这一点[20]。

求导数的运算已经公式化了。现在我们对这些公式可以有进一步的、更明确的理解。例如:

y=ax^n (4.3.1)

dy/dy=f‘(x)=anx^(n-1)。 (4.3.2)

它也可以表示为

0y/0x=f‘(x)=anx^(n-1)。 (4.3.3)

把这两种表示法比较一下,当然是利用dy/dx表示更好,因为由此我们容易认出这是微积分的运算,不是代数运算。只是由于这个做法确实太聪明了,确实太“高”了,以致三百多年了,数学家还没有认识到它们所代表的虽然都是0,但却不是相同的0。如此而已。

4.4 有限个函数之和的导数以及常数的导数

本书不是微积分的教科书,所以不详细介绍全部的求导运算及其公式。只是为了本书第六讲的需要,介绍有限个函数代数和的导数,以及常数的导数。

4.4.1 有限个函数代数和的导数

求有限个函数代数和的导数很简单,利用求导的四个步骤运算就可以得出。

设函数

y=u v-w

其中u、v、w都是x的函数。按照一般法则,我们得出:

第一步 y △y=u △u v △v-w-△w

第二步 △y=△u △v-△w

第三步 △y/△x=△u/△x △v/△x-△w/△x

因为

lim(△u)/(△x)=du/dx (△x→0),lim(△v)/(△x)=dv/dx (△x→0),

lim(△w)/(△x)=dw/dx (△x→0),

所以得出:

第四步 dy/dx=du.dx dv/dx dw/dx

所以,对于数目给定的、有限个函数的代数和来说,它的导数等于各个函数的导数的代数和。

4.4.2 常数的导数为0

设c为常数,则下面的函数

y=c

表示常数。很显然,当自变量x 变化而增量为△x的时候,函数y的数值没有变化,即

△y=0,故

△y/△x =0

因此得到

lim(△y)/△y=0(△x→0),

但是

lim(△y)/△y=dy/dx(△x→0)

因此

dc/dx=0

4.4部分主要参考了〈前苏联〉鲁金《微分学》(谭家岱 张理京译 高等 教育出版社 1954年上海第1版 )第八章§63,§65.即135-137。

(未完待续。注释在明天一起发表。)

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