能不能无限的小下去?
(应邀,仅站在数学的角度来回答这个问题)
在数学上 无限小的东西 称为 无穷小量。
无穷小量,最早 被牛顿 记为 和数字 0 接近的英文字母 o,出现于 他的第一篇关于流数法的论文中,目的是为了求已知面积是:
的曲边梯形的曲边曲线方程。牛顿给出的解法如下:
根据上图,牛顿列出:
利用自己的二项式定理:
展开等式左边得到:
消去 S 后等式两边除以 o 有:①
然后将 o 看成 0 消去,最终得到区边梯形的区边曲线方程: ②
同时期,另一位独立创立微积分的数学家莱布尼兹,也提出了和牛顿大同小异的 无穷小量 概念。
从上面的解题过程中可以看出:无穷小量,一会儿不等于 0 (① 处)一会儿等于 0 (② 处),而且 牛顿和莱布尼兹 均没有给出 无穷小量 的确切定义。于是 无穷小量 受到了 当时以 哲学家贝克莱 为首的强烈抨击,数学史称“第二次数学危机”。
无穷小量是一个数学分析中的 “变量”,这个变量:既有0的特性,但又不是0,这个概念从《微积分》的实践角度看,是十分清楚的。因此给出形式化的定义只是时间问题,这个任务最后被柯西用极限的概念来完成。
首先,看看柯西的极限概念:设函数 f: E → R(E ? R),如果 对于 A ∈ R,存在 a ∈ E 使得,对于任意的 ε > 0 总能找到 δ > 0,对任意 x ∈ E,当 0 < |x - a| < δ 时 不等式 |f(x) - A| < ε 均成立,则被柯西称为:
当 x 趋近于 a 时,函数 f 趋近于 A,记为,
或者
A 是 函数 f 在 x 趋近于 a 时的 极限,记为,
有了极限的概念后,就可以清楚的定义 无穷小量了:如果 函数 f: E → R 在 x 趋近于 a 时 极限为 0,即,
则称 f 为 在 x 趋近于 a 时 为 无穷小量,特别地,当 a = 0 时,直接称 f 是 无穷小量。例如:x 是 无穷小量; x - 1 在 x 趋近于 1 时为无穷小量。
进而,对于 函数 g,h : E → R, 如果 当 x 趋近于 a 时, 存在 x 趋近于 a 的无穷小量 f(x) ,使得 x 趋近于 a 时 g(x) 等于 f(x)h(x) , 即,
则称 当 x 趋近于 a 时 g 是 h 的 高阶无穷小量,记为:
特别地,当 a = 0 时,直接称 g 是 h 的 高阶无穷小量,记为:
例如:因为 x2 = xx,所以 x2 = o(x); 因为 x2-x = (x-1)x = x(x-1) ,于是 R ? x → 1, x2-x = o(x) 并且 x2-x = o(x-1)。
因为,
所以显然,无穷小量 f 是 恒1函数 1(x) = 1 的高阶无穷小量,(也可以理解为:因为 恒1函数 永远不等于 0,于是 只要是个可以趋近于 0 的函数,都是 它的 高阶无穷小量),即,
例如:x = o(1);R ? x → 1, x-1 = o(1)。
从上面 无穷小量 的形式化的定义可以看出,无穷小量就是:在 自变量趋于某 值 时 逼近于 0 的 函数。而且因逼近于 0 的快慢不同,还可以用 无穷小量 阶位区分。
注意:有些微积分教材中,用 来定义 x 趋近于 a 时 g 是 h 的高价无穷小量。这和上面的定义等价。现在可以回答题主得问题了:
无限小的东西,能不能无限的小下去?
无穷小量当然可以无限小下去,而且也必须无限小小区,并且 无限小量永远不等于 0。
永远没有停止的时候?
那可不一定,无限的动作加起来的总耗时,不一定无限。举例说明:
阿基里斯从 距离 0 点 s 公理 的 点出发,沿着直线向 0 点 跑去,设,函数 f: N → R ,
f(n) = s/2?,(n = 1, 2, 3, ..).
显然 f 是无穷小量 o(1),它,将奔跑路无限的径分割下去:
s/2, s/4, s/8, s/16, ...
阿基里斯有两种奔跑方案:
A 方案:阿基里斯以每天跑一小段,则,
跑到 s/2 处用时 1 天,跑到 s/4 处 用时 2 天,... 跑到 s/2? 处用时 T(n) = n 天, ...
B 方案:阿基里斯以 速度 为 1 公理/每天 的 匀速 从 s 点 奔跑 到 0 点,则,
跑到 s/2 用时 s/2 天,跑到 s/4 处 用时 s/2 + s/4 天, ... 跑到 s/2n 处用时 Tn = s/2 + s/4 + ... + s/2? = s(1-1/2?) 天, ...
你会发现,对于同一的无限细分下去的无穷小量,T(n) 的极限是不一样的:
A 方案:
B 方案:
一个用时无限,一个用时有限。
这充分说明,同样是无限细分,但 A 方案,每次分割耗时保持不变,当然会永远没有停止,而 B 方案,分割耗时越来越小(是 n 的高阶无穷小量o(n) ) ,以至于最后耗时趋近于 0,极限情况就是 s 天后 阿基里斯 停止在 0 点 处,无限细分在时间上结束。
当然,柯西的极限定义中 x 逼近 a,即,E ? x → a 比较原始,《数学分析》 中会用 滤子基的概念代替,滤子基定义为:
由 E 的子集 组成的集族 B ,满足:
B 不包含 空集;
对于 任意 U, V ∈ B 都存在 A ∈ B 使得 A ? U ∩ V;则 B 是 E 的 一个 滤子基。
滤子基直接给出了 每个逼近 a 的范围,就像高程图中的等高线逼近山尖尖一样。
相应的,将极限的定义调整为:设 函数 f: E → R(E ? R),B 是 E 中的 滤子基,如果 对于 A ∈ R 的任意一个邻域 V(A),都存在 U ∈ B 使得,U 在 f 下的像 f(U) 被包含于 V(A) 内,即, f(U) ? V(A),则称 A 是 f 在 滤子基 B 下的 极限,记为:
最后,上面的无穷小量 和 高阶无穷小量 也调整为:
在 滤子基 B 下, f 是 无穷小量,记为:B,f = o(1);
在 滤子基 B 下, g 是 h 的 高阶无穷小量,记为:B, g = o(h)。(最后,本人数学水平有限,出错在所难免,希望各位老师批评指正。)
补充:
在《高等数学》中,函数连续 和 函数极限是关联在一起的:函数在某点的极限值等于函数值就说明函数在该点连续。后来高等数学升级到《数学分析》(《点集拓扑》),基于拓扑结构中开集的定义,我们很容易用:开集的原像是开集,来定义函数的连续性,那么,函数的极限如何定义呢?开始,数学家用一种网的概念来定义,后来 陈省身的老师 Henri Cartan 发明了 滤子的概念替代网,作为函数极限的定义,这就是上面介绍的滤子基。
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