在遥远的古代,人类还在原始大森林中刀耕火种的时候,就已经开始仰望浩翰的星空,陷入了深深的思考:宇宙到底有多大,宇宙的边缘到底在哪里?宇宙的尽头到底是什么?这时在人们脑海中不断地闪现出两个字:“无穷”。人类的先行者们对“无穷”问题的思考,就如川流不息的河水在漫长的岁月里静静地流淌着,经历了数万年的思考,终于来到了17世纪。

无穷小量的数学分析,是奔驰在数学荒原上的野马(1)

在这个伟大的时代里,牛顿和莱布尼茨分别独立地发明了“微积分”,但是“微积分”中的“无穷小量”却引发了“第二次数学危机”,“无穷小量”犹如一匹奔驰在数学荒原上的野马,没有人能够让它乖乖听话。然而,有那么一位伟大的数学家,最终用“极限”的定义驯服了“无穷小量”,他就是柯西。

柯西于1789年出生于巴黎,身为律师的父亲与当时的大数学家拉格朗日和拉普拉斯私交甚笃。少年时代的柯西就展露出了出色的数学才华,深受这两位数学家的赞赏,认为他将来在数学上必定可以获得极高的成就。

无穷小量的数学分析,是奔驰在数学荒原上的野马(2)

但是,每一位天才都是孤独的,柯西也是一样。学生时代的柯西不爱说话,因而他的身边没有朋友。在那个以“读哲学书”为荣的时代,柯西课余常看的书却是拉格朗日的数学书,人们都嘲笑他为“苦瓜”和神经病。

1807年至1810年,柯西放弃了交通道路工程师的身份,全身心地投入到了纯数学的研究工作之中。几年之后,柯西回到了巴黎,开努担任母校的数学教授,柯西在日记中写道:“我像是找到自己河道的鲑鱼一般地兴奋。”正是这个优越的“数学教授”职位,让柯西的数学研究工作如鱼得水,也为柯西的数学事业迎来了崭新的春天。

无穷小量的数学分析,是奔驰在数学荒原上的野马(3)

十七世纪,那是一个特殊的时代,牛顿和莱布尼茨以“无穷小量”的概念为基础建立起了“微积分”,沉淀了数千年的人类文明,正在蓄势待发,即将在人类文明的天空绽放出绚丽的光彩。

但是,由于人们满足于“微积分”所带来的成果而急于高歌猛进地开拓新的领域,却忽略了“微积分”底层的逻辑建设,引发了人们对“微积分”的置疑:“无穷小量”是否等于“零”?如果说是“零”,怎么能用它去作除数?如果它不是“零”,那么在“函数变形”时,又为何将那些“微小的量”的项去掉呢?

“微积分”底层混乱的逻辑引起了以英国哲学家、大主教贝克莱为首的各界权威对“微积分”发起了激烈的攻击,“第二次数学危机”爆发了。

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在十七世纪“微积分”诞生之初,到之后的一百多年里,“无穷小量”这匹自由的野马,在数学的荒原上无羁地奔跑着,充满着巨大的能量和无穷的活力,但人们却又无力去把握它。

要解决“无穷小量”的问题,还得从“无穷”的概念说起。人们对“无穷”概念的深入思考,最早可以追溯到古希腊,在那个遥远而荒芜的时代,芝诺提出了著名的“芝诺悖论”,比如四大悖论之一的“飞矢不动”悖论。

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“飞矢不动”悖论是这样的:一支在空中飞行的箭,在任一“无穷小”的“时间”点上,它一定处于“空间”中的一个特定的“无穷小”的点上。而在每一个特定的“无穷小”的“时间点”上,箭只能是“静止”的,由于箭的飞行轨迹由“无穷”个这样的“点”组成,所以飞行的箭总是静止的,因而箭的运动是不可能的。

芝诺提出的“飞矢不动”悖论,也是人类最早将“无穷”问题尖锐地摆到桌面上来进行讨论。

“飞矢不动悖论”实际上一个关于“无穷集合”的问题。早期的“无穷集合”被分为两种:一种是“无穷过程”,人们称之为“潜在无穷”,另一种是“无穷整体”,人们称之为“实在无穷”。当时的大数学家亚里士多德认为这个世界只存在“潜在无穷”,而“实在无穷”是不存在的,比如宇宙,在人类看来,是“无穷的”,但是如果站在上帝的角度,宇宙却是“有限”的,因而这个世界“真正的无穷(实在无穷)”是不存在的,因而“无穷集合”也是不存在的。由于亚里士多德的权威地位,人们对“无穷集合”的研究停滞了两千多年之久。

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而在这漫长的时间里,“无穷”只是做为一种“观念”存在,没有人将它作为一个“数”,更没有人将它参与“数学运算”。

但是,当牛顿和莱布尼茨创立“微积分”之后,却冒天下之大不韪,将“无穷小量”当成最为基本的“量”来进行演算,建立起一门新的学科——“无穷小演算”。将“无穷”个“无穷小量”加在一起,就是“积分法”,当“两个”“无穷小量”相除,就是“微分法”。

此时,一直被传统思想所忌惮的“无穷小量”,大模大样的闯进了数学领域。这令数学界的权威们充满疑虑,就连号称“数学家之王”的高斯也不例外。

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高斯是一个“潜在无穷论者”,不承认“无穷集合”,他曾在给朋友的信中强烈地反对人们将“无穷”的概念和“无穷”的“记号”当成“普通数”一样来参与“数学运算”。

早期的柯西也和大多数大数学家一样,也不承认“无穷集合”的存在,但随着有关“无穷集合”数学成果的不断涌现,他最终还是接受了“实无穷”,从而接受了“无穷小量”,他说:“纯数学的领域里,似乎没有实际的物理现象来印证,也没有自然界的事物可说明,但那是数学家遥遥望见的应许之地。理论数学家不是一个发现者,而是这个应许之地的报导者。”

柯西开始尝试着用“严格”的“无穷”概念来重新定义“微积分”,与当时全世界的数学家们一道,展开了对“数学分析”进行“严格化”的工作。柯西把“无穷小量”视为“以0为极限的变量”,充分地解释了“无穷小量”为什么有时可以不把它当为“零”,有时候又可以当成“零”。那是因为,“无穷小量”是一个“变量”,它在变化的过程中,它的值虽然不直接等于零,但它变化的趋向却在无限地接近于零,所以人们有时把“无穷小量”直接“等于0”来处理,也不会产生错误的结果。

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1821年,柯西提出了定义“极限”的方法,将“极限过程”用“不等式”来描述,柯西为此首先成功地建立了“极限论”,也是在这一刻起,“无穷小量”被彻底的驯服了。

在“极限”的概念下,“曲线”与“直线”可以相互转化,也就是说,“直线”和“曲线”在“微分”中被等同起来。人们借助于“极限”的思想方法,解决了大量用“初等数学”无法解决的问题。“数学分析”中的一系列重要概念,如“函数”的“连续性”、“导数”以及“定积分”等等都是借助于“极限”来定义的。如果要问:“数学分析”是一门什么学科?那么可以概括地说:“数学分析”就是用“极限”思想来研究“函数”的一门学科。

在今天,所有的“微积分”教材里的关于“极限”、“连续”、“导数”、“收敛”等概念的定义,都是柯西等人等人定义的。他利用“中值定理”首先严格证明了“微积分基本定理”。通过柯西等人的艰苦工作,“数学分析”的基本概念得到了“严格化”。使得“微积分”不再依赖于“几何概念”、“运动”和“直观了解”而发展成“现代数学”中最为基础和庞大的数学学科。

无穷小量的数学分析,是奔驰在数学荒原上的野马(9)

柯西一生的数学成就是无比辉煌的,他所著的“柯西全集”共有27卷,其论著有800多篇,在数学史上,他的“学术成果数量”仅次于欧拉。他的名字与许多“定理”、“准则”一起铭记在今天的许多教材之中。但他一生中最为引人瞩目的数学成果,无疑就是用“极限”的概念定义了“无穷小量”,使得“微积分”彻底摆脱了底层逻辑混乱的困扰,带领“近代数学”成功地走出了“第二次数学危机”,使近代数学走上了健康发展的康庄大道。

1857年5月23日,伟大的数学家柯西突然去世,享年68岁,临终前,他说的最后一句话是:

“人总是要死的,但是,他们的功绩永存。”


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