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  • 1 # 科技袁人袁嵐峰

    我們無法嚴格地回答這個問題,因為我們不能倒轉歷史。但是我們仍然可以在某種意義上回答這個問題,就是看微積分思想的發展過程,是少數人的天才迸發,還是許多人都做出了重要貢獻。如果我們這樣來看數學史,那麼答案很明確,微積分的思想源遠流長,經過了上千年的醞釀,很多數學家都對此做出了重要貢獻,在這個意義上,微積分的出現是必然的。

    甚至到最後臨門一腳的時候,也有兩個人而不是一個人明確地提出了微積分,即牛頓和萊布尼茲,因此可以認為,即使沒有他倆,在不太久的時間裡,也會有其他人提出微積分,因為當時這已經是一個自然而然需要解決而且可以解決的問題了。

    微積分思想的最早萌芽,見於歐幾里得的《幾何原本》。此書的第十二篇包含18個關於面積和體積的定理,本篇的主要思想是得自歐多克索斯的窮竭法,表述在第十篇定理1中。這個定理是:

    “對於兩個不相等的量,若從較大量減去一個比它的一半還要大的量,再從所餘量減去大於其半的量,並繼續重複執行這一步驟,就能使所餘的一個量小於原來那個較小的量。”

    第十二篇的開頭是:“命題1、圓內接相似多邊形之比等於圓直徑平方之比。”證明沒有什麼特色。下面是關鍵的命題。

    “命題2、圓與圓之比等於其直徑平方之比。”

    歐幾里得證明的主要精神是,先證明圓可被內接正多邊形“窮竭”。

    從內接正方形開始,它的面積大於圓面積的一半。然後作內接正八邊形,可以證明其面積與圓面積的差別小於圓面積與正方形面積之差的一半。如此重複,內接2^(n+1)邊形的面積與圓面積之差總是小於圓面積與內接2^n邊形面積之差的一半,每一步都把內接多邊形與圓的面積差縮小一半以上。

    根據第十篇命題1,圓和某一邊數足夠多的正多邊形面積之差可以弄得比任何給定的量還要小。

    現設S和S"是兩圓面積,d和dˊ是其直徑。歐幾里得要證S : S" = d^2 : d"^2。

    假設這等式不成立,而有S : S˝ = d^2 : d"^2,其中S˝是大於或小於S"的某一面積。今設S˝ < S"。我們在S"裡作邊數愈來愈多的正多邊形,直到一個P",使它和S"的面積差小於S" - S˝。於是有S" > P" > S˝。在S中作相似於P"的內接多邊形P。據命題1,有P : P" = d^2 : d"^2。但根據前設S : S˝ = d^2 : d"^2,所以P : P" = S : S˝,或P : S = :P" : S˝。但因P < S,於是P" < S˝,這與S" > P" > S˝矛盾。同樣可證S˝ > S"也不能成立,因此S˝ = S",證畢。

    窮竭法用於證明下面這些重要而難證的定理:

    “命題5、底為三角形而高相等的稜錐之比等於其底之比。”

    “命題10、任一[正]圓錐是與其同底等高圓柱的三分之一。”按:你現在會證明嗎?

    “命題11、同高的圓錐[與圓錐]以及同高的圓柱[與圓柱]之比等於其底之比。”

    “命題12、相似的圓錐之間以及圓柱之間的比,等於其底直徑的三次比[立方之比]。”

    “命題18、球之比等於其直徑的三次比。”

    其實,窮竭法的實質就是現代的極限定義中的ε—N語言。所以窮竭法是一種精確的方法,不像很多其他人的思想那樣只是一種模糊的哲學思辨(例如《莊子》中記載的惠子說的的“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”),洞察力令人歎服!

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