知乎日报 ( ) • 2024-05-04 12:53
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Leibniz 的微积分原理

谈到 Leibniz 这位数学大师,人们首先想到的就是其和牛顿的微积分发明之争,而现行微积分体系中的符号(诸如积分号,微分

等)几乎都是出自他之手。那在这里我们有必要思考这样的问题?为什么他发明的符号如此好用,只是因为简洁吗?还是说其选用的符号刻画着某些本质的东西。

对于 Leibniz 的微积分原理,可以简述如下:

给定一条曲线,其纵坐标为

,求该曲线下的面积。Leibniz 假定可以求出一条曲线(割圆曲线),其纵坐标为

,使得

,即

,于是原曲线下的面积是

。写成规范形式,即

。如果

为任意数

,得到的就是原函数。

在 Leibniz 的微积分原理中,“

”表示最简单的累加,“

”表示微分,

表示两相邻的差,并探索

的运算关系。也就是说,微分就是对于某区间的点级微分,积分是对点级微化结果的累加,微分与积分互为逆运算,并不存在本质不同的两个积分(定积分和不定积分),导数就是微商。

到这里,就讲清楚了符号的问题了,或者说也就说清楚了为什么会出现

。这在 Leibniz 的微积分原理里是不言自明的,因为在这里是先有的微分,后有的导数。那问题就来了,为什么微积分课没有这么讲呢?这是因为在 Leibniz 的原理中,

是说不清楚的,也就是现行数形模型中没有相邻的两个点。这并不是 Leibniz 之过,毕竟那个时代是没有实数的。那到底有没有可能说清楚?这就是值得思考的问题了。

线性主部的思想

那我们现在学习的微积分是怎么来的呢?其实是 Cauchy 等人在 Newton 和 Leibniz 的基础上做出修改,引进极限的思想,试图解释清楚“贝克莱鬼魂”问题而慢慢发展来的,后边又经过 Weierstrass 的严格化而形成现在教材上的内容。在我们国家的教材上,包括高等数学和数学分析,绝大多数都是采用线性主部的思想来讲解微积分原理的。你所看的这本书也是采用这种方式。

这种思想可以简单写为:

首先定义导数为

其中,函数增量

。函数增量可以表示为

其中

是与

无关的常量。

定义函数增量关于

的线性部分为函数的微分

,最后写出函数微分的定义为

为函数的导数

在整个定义过程中,核心是给出

,这样一切就顺理成章了。那导数自然就是

两者相除了,但是问题的关键就在于

为什么就成立了。笔者做过不完全统计,国内得高数教材或数分教材上大概可分为如下几类:

1.直接定义

。可参见张筑生主编,北京大学出版社出版的《数学分析新讲》;

2.由

推出

。可参见华东师范大学数学系主编,高等教育出版社出版的《数学分析第三版·上册》;

3.由

得出

。可参见哈尔滨工业大学数学系分析教研室主编,高等教育出版社出版的《工科数学分析(第五版)》;

4.当

。可参见陈纪修等主编,高等教育出版社出版的《数学分析》。

如果想要解释清楚这些定义,或者说与已知的结果不产生矛盾,就必须严格区分自变量的微分和因变量的微分,不然一定无法解释

作为中间变量时

不相等的问题。现在有些观点认为不存在这种情况,即

永远作为自变量出现,实在想不清楚复合函数求导和参数形式求导是如何做到的。而严格区分之后就会变得极为繁琐,以致于导数无法正常使用,这也就是为什么很多教材中定义了微分,也没有使用的原因。而又有一些书里也使用了微分,基本基于证明了微分的一阶形式不变形(是在严格区分自变量微分和因变量微分的意义下),然后就不在区分而去使用,这也不能让人理解。

取消微分的思想

这类想法是很简单的,既然微分这件事情说不清楚,那我干脆就不要了。我注意到,答主 gwb 就是这一思想的拥护者,他说的很对,即使没有微分,只使用导数,就可以将微积分原理简化为求导数和原函数了,而且丝毫不影响链式法则、隐函数求导、反函数求导、换元积分法、牛莱公式的理解,同时避免了很多问题的出现。

对于这种说法,我只能说“削足适履”!说不清楚就不要了吗?那微分就不能用了呗,因为在数学上没有解释清楚,所以只能用导数的方法来解决问题。好,即使数学界认可了,不再使用微分。那搞工科的和搞物理的人会认可吗?这么好用的微分方法(解微分方程),就因为你解释不清楚就不用了,但是人家用实践证明了其正确性,凭什么你说不能用就不用了。

而对于“微分概念,到微分流形里去学就行了”这一说法,我不清楚想说明什么?是说微分只能是学了微分流形的人才配知道吗?那又有多少人会学呢?搞工科的人就不能知道了?就算到了微分流形中,那也是抽象的在谈,又有谁可以说清楚微分的本质呢?

映射的思想或微分几何中的思想

使用映射思想来解释微积分原理,这相当于微分几何中外微分定义的一元形式。在国内,北京大学陈天权教授的《数学分析》中就是采用这种映射的定义方式。如果不想翻书,可以看一下答主芋圆公式写的回答,正如他所说,可以用

进行形式上的推导,但究其本质而言,是无法理解的。在个人看来,这不能算是合格的原理解释。

结语

上面所说的内容就是各种微分的定义,希望你能有所了解。其实也可以想象,如果线性主部的定义方式无懈可击,为什么会出现这么多定义方式,而且还去试图去掉微分或者采用很难理解的映射定义呢?其实,现行微积分体系中,通过极限定义的导数才是真正的核心,微分只是多余的东西,不定积分是导数的原函数,定积分是通过分割求和取极限定义的,这和微分没有任何关系。你们老师说的是对的,在现行的微积分体系中,导数确实不能写成微分相除的形式,

要么作为一个整体,表示导数,要么干脆就别要了。但从另一方面说,微分是至关重要的,它在很多领域发挥作用,诸如求解微分方程,分析力学等,如果可以解释清楚

的本质是什么,恢复 Leibniz 意义的微积分原理,那么导数就可以写成微商了,一切都变得好理解起来了。希望这一天早点到来。