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  • 1 # 使用者1603978409576

    沒有ε-N語言和ε-δ語言,在當時就沒法嚴密刻畫極限.

    極限是微積分的基礎,連續性、微分、積分、級數等概念都要建立在其上.

    不嚴密定義極限,就意味著很多結論不可靠,微積分就變成了一種僅僅是形式上的變換.

    另外還有一點很重要,沒有ε-N語言和ε-δ語言,有些其他的微積分裡的必要的概念都沒辦法定義.

    例如函式的一致連續,函式項級數、含參量積分的一致收斂,函式的可積性等概念的定義必須要用到ε-語言,難以想象能像極限那樣,用“變數無限地趨向於某一數值”之類的籠統說法糊弄過去.

    而缺少這些,在處理很多分析學問題時,往往會犯下一些想當然的錯誤.(比如在不該交換求極限次序時錯誤地交換求極限次序)

    其實微積分的雛形的誕生比很多人想象的還早,早期的樸素極限思想在古希臘的歐多克斯、亞里士多德、歐幾里德、阿基米德那裡就存在了.

    16世紀以來,開普勒給出了 的積分

    Cavalieri給出了 的積分

    費馬給出了導數思想的雛形,後來的費馬引理就是他這一思想的體現

    Wallis完成了 的積分

    帕斯卡注意到很小的弧與切線可以互相替代,並在證明體積公式時略去高階無窮小

    牛頓的老師Barrow給出了求切線的方法

    在這些人的工作的基礎之上,牛頓和萊布尼茨獨立建立了微積分學.

    、 、 這套符號就是萊布尼茨建立的,沿用至今.

    至此為止,微積分都是建立在很不嚴密的基礎上的,“無窮小量”、dx這些概念都很模糊,時而是0時而又不是.有很多人試圖修補這種缺陷,麥克勞林試圖從瞬時速度方面解釋,泰勒則試圖用差分法解釋,顯然路子都不對.

    這一階段有很多人批判、質疑過微積分理論,最具代表性的就是貝克萊主教和馬克思.

    馬克思曾經寫過幾篇質疑、批判微積分的文章,其中內容如今看來顯然非常可笑,但並非不可理解.馬克思為什麼會有疑問?正是因為當時他還沒讀到過柯西等人的著作,不知道魏爾斯特拉斯建立的的ε-δ語言,因此他批判的其實還是牛頓那套不嚴密的微積分.

    想要避免這類哲學家對數學的指點怎麼辦?只有將極限的概念真正嚴密化.

    達朗貝爾將微積分的基礎歸為極限,並將極限解釋為“一個變數趨近於一個固定量,趨近的程度小於任何給定的量”,這已經有用ε-語言描繪極限的影子了.

    之後,波爾查諾、阿貝爾、柯西等人是真正開始把分析學嚴密化的.

    柯西這麼定義極限:“若代表某變數的一串數值無限地趨向於某一數值,其差可以任意小,則該固定值稱為這一串數值的極限”,並把導數定義為 的極限,把定積分定義為一個和式極限.

    離最後一步真正的嚴密化,就差一點點了.

    魏爾斯特拉斯邁出了最後一步,他反對“變數無限地趨向於某一數值”這一類籠統的說法,他認為應該描述成變數 在區間 取值時, 在區間 上取值,而這個正數 可以任意小.

    這樣,最終得到現在通用的邏輯嚴密的函式極限的ε-δ定義:

    數列極限的ε-N定義,以及其他形式的函式、數列極限與之類似,這裡不一一列舉,另外這個定義能夠很容易推廣到一般的度量空間上.

    當然,由於這一類用ε-N語言、ε-δ語言定義的極限離不開一個概念——距離,所以它也只適用於度量空間中的數列極限,以及度量空間之間對映的函式極限.

    再往後,德國數學家黎曼利用魏爾斯特拉斯的這套ε-語言,透過黎曼和的方式,給出了黎曼積分的嚴密定義

    今天的我們當然可以繞開距離的概念,直接用開集、鄰域、濾子等更抽象的概念去定義極限,而這都依賴於之後拓撲學的發展,在柯西、魏爾斯特拉斯那個時代顯然是不行的.

    參考資料:

    華東師範大學數學系《數學分析》

    G.肖蓋《拓撲學教程》

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