知乎上有一个问题,是这么问的:
这个问题乍一看上去,会有点不知所云的感觉。题主问道,答案是一个无限小的数,还是直接等于。后面又说,假设答案是,那么定义一个数,岂不是有,同乘就是了?
还有另一个经久不衰的问题,或者说命题,是这个样子的:
很多人依然觉得“差了这一点,为什么会相等”,对此无法理解。当然,也有不少看上去非常有道理的证明,比如。
以上问题,关键都在于如何理解“无限”。
初学微积分的时候,应该不少人都会被所谓的“语言”弄得一头雾水,也不知道为什么要用这么多的条件。比如定义数列极限,连续着有这么多个说法:
——存在……
——对于任意的……
——存在……
——使得当时……
——恒有……
——则称数列的极限为.
除了结果,条件拢共五句话,而且缺一不可,就算是硬背下来都要花不少时间。
在这个定义之后还有一个记法,是这么写的:
这里就是初学者遇到的第一个陷阱:至少咱学的书,在表述这个记法之前,还没有解释这里的无穷符号。在初等数学的思想下,初学者很可能就将无穷理解为“一个很大的数”了:就和本文开始时的那个问题描述一样。
然而,当学习到不定式的时候,这种理解就会出现问题了:如果是一个很大的数,那么这样的式子,为什么不直接等于1,而是由具体的式子决定呢?
从直觉上说,不管无穷是什么样的东西,它至少应该有这么一个性质:不管列出什么数,无穷都应该比这个数大。就算说1000...000,一共有10000个0,这么大的一个数,都比无穷要小。
这样的说法固然有些笼统。考虑到这个性质在于比较,我们不妨拿函数来构思一下无穷的具体定义。
大家都知道,的结果无定义。但是,我们可以看到,在接近这个值的时候,函数的值是不断上升的,而且往着几乎无穷大的地方前进。既然如此,如果说,有一个值,使得,那么,理当有,无论给定什么数,例如10000000,我们都能说,比这个数都更接近,也就是说,。
从初等数学到高等数学的飞跃就在这里:既然你都能给定一个,而且又不等于了,显然!那么,只要我令,不就有了吗?最开始定义的显然就名不副实了。
为什么说微积分将运动带进了数学里面?这就是因为,在你拿出一个可以比较的值之前,不会有一个确值!它就像一个会走的变量一样,无论你拿出什么样的大数,当你试图把它拿来与比较的时候,都会比这个数大那么一些。
所以,所谓的,不是说的值达到了一个非常大的状态,而是说处在了这种动态的趋近状态,而且是趋向于无穷大。
回头看看语言的内容,实际上,它就是在用严谨的术语表述类似的事情:
——在给出一个确定正值之前,都不会有一个确定的,让你定义去和计算差值。
——一旦你给出了(),那么才可以确定()。
——而以此确定的,与计算差值,就是满足小于的()。
一些具体的例子可能会更方便理解。有人说,不为的数相乘不会等于。在有限个数相乘的情况下,确是如此,所以乍一看,好像这个命题没错。
但是我们可以这么构造数列。自然,是多少,就代表着有多少个相乘。显然,无论多大,我们都能算出的确定数值。而当,也就是无限个相乘的时候,就意味着,不管给出一个多大的确值,都有。显然,若我们想知道是多少,就没法用相乘的形式获得答案。
不过,在语言的语境下,只要看看什么样的数满足,就能知道无限个相乘的结果了。答案当然就是。也就是说,在无限个数相乘的情况下,不为的数也能相乘得到这个结果。
这同时也解答了开头的第一个问题:答案当然就是。知乎上,有一个回答短平快地指出了题主接下来的错误所在:定义?不,你不能。这是因为,答主就犯了一个错误:将无限的数相乘看作确值。无限的东西总是处在动态的,此定义下的代表不是一个确值,而是趋近无穷的过程——所以也就不可能存在“同乘一个抵消分母”的操作了。
再看看后面:为什么?既然有无限的概念,我们再用初等数学的想法去思考这个题目就不太合适了。和刚才一样,我们可以构造。对于一个确定的,我们当然知道它和是存在差距的:,就差一点点。
但是,考虑的时候,就算我们诘问:“或许和差了一点点!”,并且拿出这个“一点点”,都会抱歉地说:对不起,我和的差距比你的“一点点”还要少!那么,不管我们怎么不愿相信,在语言下,就是等于。
本文只是浅显地讨论了一下,限于笔者的知识水平,可能存在错漏之处,还请各位读者斧正!