學不好微積分不是你的錯,是它本身有錯

我們現在所學的高等數學是這樣的一個體系,它由柯西在1821年初創,經過十數位數學家,歷時近一個世紀,到1902年勒貝格建立測度理論而宣告完善,最後,教科書中的表述形式則由20世紀30年代的布爾巴基學派奠定。撇開一些龐雜的理論叢林,我們抽出這個體系中關於微積分原理的部分,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a,如果有一個數的序列{xn},隨著n的增大,xn越來越接近a,以至於當n足夠大時,序列後面的數全都落在一個以a為中心的以ε為半徑的區間之內,我們就說這個序列的極限是a。寫成規範形式,即:

學不好微積分不是你的錯,是它本身有錯

極限描述

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極限定義

學不好微積分不是你的錯,是它本身有錯

極限舉例

可以看出,這裡所說的極限是一個數,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,序列中的數和極限便不一定相等。這便是數學中極限的思想,它給出的是證明的方法,並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,然後再證明之。

例3:現行體系的導數和微分

學不好微積分不是你的錯,是它本身有錯

現行體系的導數與微分

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導數與微分-1

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導數與微分-2

導數的問題似乎解決了,那麼微分是什麼呢?書上說,微分ds是增量的線性部分,對於增量s,其線性部分即3t^2t,於是ds=3t^2t,然後認為微分dt就是t,於是ds=3t^2 dt。

這便是現行體系的微分和導數原理。在這裡,導數是一個極限,微分ds是增量的線性部分,而dt就是增量t自身,它們並不要求非常小,而可以是任意的有限量,即微分不微。

學不好微積分不是你的錯,是它本身有錯

數學之美

例4:現行體系的不定積分和定積分

對於函數s=s(t),我們求出其導數v(t)和微分ds=v(t)dt,並直接稱s(t)為v(t)的一個原函數,由於s(t)+C(C為任意的一個常數)的導數都是v(t),於是它們都是v(t)的原函數,記作∫v(t)dt=s(t)+C。

這便是現行體系中的不定積分。可以看到,它並沒有具體的計算方法,只是給原函數起了一個新的名字——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的方法,這是現行微積分體系的一個癥結。

我們求曲線v=v(t)與座標軸所謂的面積,即所謂的定積分。現行體系的方法是,

學不好微積分不是你的錯,是它本身有錯

現行體系的不定積分與定積分

學不好微積分不是你的錯,是它本身有錯

定積分-1

學不好微積分不是你的錯,是它本身有錯

定積分-2

上述例3和例4反映了現行微積分體系的演繹思路,它相比於例1和例2所展示的演繹思路(萊布尼茨、歐拉等人的),顯得複雜而崎嶇,同時也難以讓人一眼便指出荒謬之處。但這個體系並沒有真的解決第二次數學危機,並沒有徹底解決微分是什麼,到底是不是0的問題。除了給出了極限思想的數學表達,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科發展的根本矛盾,從而阻礙其發展;第二,由於避開直覺,核心概念形式化,導致整個微積分學科的支離破碎。

那麼,究竟什麼才是正確的微積分原理呢?


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