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dx&dy?[转载]

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Elan 发表于 2025-4-7 19:17:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
没错,又是从知乎上转载过来的,节选了其中部分内容,其余的作为未上高中的你不必理解,以这篇选段启发你对微积分的兴趣。这里有些公式使用latex写法,注意甄别。
dx 和 dy 本质上就是分析学家们谈虎色变的无穷小量。虽然老师上课的时候会一再告诫,但你把它们当成无穷小量处理不会出任何问题。具体解释如下:
众所周知,牛顿、莱布尼茨创立微积分之后,一个长期被人诟病的地方,就是引入无穷小量所造成的不严谨,无穷小量曾经被人戏称为“消失量之鬼”。在柯西、魏尔斯特拉斯等一众大牛打了极限这个升级补丁之后,微积分才有了今天这个正襟危坐、一派道学先生的严谨面貌。
而 dx 和 dy 就属于对微积分进行整容手术后的历史遗留问题了。首先它们是符号大师莱布尼茨发明的,当初发明的时候, dx 和 dy 就表示无穷小量。今天我们看到的基于极限构建的微积分教材为了不打祖师爷的脸,就不得不时时刻刻在回避无穷小量的使用。于是乎会出现以下精分场景:比如,我上大学的时候,老师刚在讲授导数的时候一再强调,导数符号中的dy/dx不能拆开,说它们是一个整体。但是过了不到半堂课,讲到微分的时候,又说其实微商(微商是导数的别名)就是微分相除之商, dx 和 dy 又可以拆开了。
其实要说明背后的原因,需要提到一点数学史。历史上,对于无穷小量是有两派观点的,类似于华山剑法的剑宗和气宗,两派的争论也类似于剑气之争。PS,以下对两派观点的解释,我是纯粹从运算角度考虑,不涉及背后高深莫测的哲学或者数学知识(当然想涉及,我也不懂)。

其中一派被称之为实无穷派,他们最大的特点认为无穷小量是一种实实在在的量,可以和其他实数一起参与代数运算,比如加减乘除,代入到基本函数里面。比如,实无穷派可以内心毫无波澜地写成下面的等式
dy=sin(x+dx)-sin(x)=2cos(x+\frac{dx}{2})sin(\frac{dx}{2})\approx cos(x)dx
另外,无穷小量和实数一样是有序的,它们可以比较大小。
最早的时候,牛顿、莱布尼茨创立微积分之初,就是持这一观点,当时的微积分也被成为《无穷小分析》。并且基于无穷小量的概念,得到很多正确的结论。可是这时候有人发现数学家们对无穷小量的描述是模糊的、不严谨的。最早提出质疑的是贝克莱大主教,他有一篇短文,文风辛辣,文中把牛顿、莱布尼茨称之为不信神的数学家。文中,贝克莱大主教并不否定无穷小分析的方法能够得到正确结论,而是嘲讽数学家用到的无穷小量一会儿是零、一会儿不是零,好比女人心,琢磨不定,数学比神学更不靠谱。这波嘲讽用郭德纲相声的说法就是:骑着脖子拉屎,拉干的我扒拉下去;拉稀的我擦了它;可是他(贝克莱大主教),是骑着脖子拉痢疾。这是数学家被神棍骑脸的神奇年代!

图1 给牛顿造成亿吨打击的贝克莱大主教
要说清楚贝克莱大主教曾经给数学家心理造成多大伤害,就必须说说当时数学家口中的无穷小量是什么?用自然语言描述:无穷小量是绝对值大于零、而小于任意正实数的量
这一观点今天看来也很难被理解,因为绝对值大于零、小于任意正实数的数,在实数轴上是肯定找不到的。今天我们可能想到要扩展数域,比如在实数轴上也找不到 \sqrt{-1} ,但是扩展到复数域上问题就解决了。但是你得设身处地替当时人想想,那时候人们刚刚承认负数也是数,对于复数的认知也是拧拧巴巴的,谁敢为了无穷小量去冒天下之大不韪扩展数域?你要知道,人类历史上第一个企图扩展数域人的下场。其实无穷小量所面临的困境,莱布尼茨本人已经意识到了,他曾经说过数学需要引入一种新的理想数,它与原来的实数相比是无限小或者无限大,但同时有和实数一样的(代数运算)性质。

图2 摘录自鲁滨逊的《非标准分析》(翻译的有点渣)
显然莱布尼茨的徒子徒孙们没有遵守老祖的谆谆教导,而是完全选择了另外一条路径,就是今天课本里面的极限理论。

支持极限理论的这派学者是持潜无穷观点的,所谓潜无穷就是把无穷理解成一个极限过程,即一个永远在路上、永不可达到的过程;相反的,他们不再承认无穷小是一种实实在在的量,也就是无穷小量不能进行加减乘除、不能相互比较大小。根据潜无限的观点,把无穷小量定义为:
对于函数 f(x) ,若 \lim_{x \rightarrow a}{f(x)}=0 ,那么称 x\rightarrow a 时, f(x) 为无穷小量
我们这里举一个具体的例子来说明实无穷论者和潜无穷论者的差别:
对于 f'(x)=\frac{dy}{dx} 和 dy=f'(x)dx ,实无穷论者认为两个公式之间可以互相转换,也就是 dx 和 dy 是实实在在的量,可以加减乘除代数运算;
而对于持潜无穷(极限)观点的人,导数 f'(x)=\frac{dy}{dx} 和微分 dy=f'(x)dx 由两个不同定义给出的公式,二者不能互相转换。
有了以上背景知识之后,我们就明白为什么教材不提dx和dy本质是无穷小量了,因为现在的教材都是根据极限理论编写的,如果承认 dx 和 dy 是无穷小量,也就意味着 \frac{dy}{dx} 表示无穷小量相除,也就同时意味着承认实无穷的存在。
注意我前面说的,实无穷认为无穷小量是一种实实在在的量,可以进行代数运算,比如加减乘除潜无限即极限理论,不承认实无穷存在,认为无穷小只是一个不可达到的过程,不能进行代数运算
这里对现在的教材引伸几点:
(1)现在由极限定义的导数概念,的确不需要引入无穷小量,但需要对莱布尼茨的导数符号进行额外解释,即规定:导数符号中的 \frac{dy}{dx} 是一个整体,不能拆开。原因见上述。
(2)其实仔细咂摸的话,现代教材已经隐含告诉我们dx和dy是无穷小量了。在定义完导数之后,教程立马又匆匆定义了无穷小量。
何为无穷小量?对于函数f(x),当x->a是,若f(x)->0,那么我们可以说:在x->0时,f(x)为无穷小量。
根据这个定义,显然 dx=\lim_{\Delta x \rightarrow 0}{\Delta x} 是无穷小量。又有 dy=f'(x)dx 成立,又根据:一个无穷小量乘以一个有界量仍是无穷小量,dy不就也是无穷小量嘛?
(3)在极限理论框架下的微积分教科书里面,毫无疑问dx和dy也是无穷小量,只是它们是潜无穷,不是实无穷,也就是:潜无穷讲究的是个过程,不是实实在在的量,不能四则运算,不能比大小。
(4)按照常理,极限理论创立之后就应该把这些实无穷存在的痕迹,清理的干干净净,可惜还没有做到,dx和dy就是实无穷的阴魂不散。

说了这么多,最后我总结一下:
(1)实无穷和潜无限现在都是严谨的数学语言,潜无穷的严谨性靠的是极限ε-δ语言,实无穷的严谨性是靠扩展数域(详细参考《非标准分析》教材)。
(2)所以在理解概念的时候,我们不用在纠结于到底支持那一派,不存在谁比谁严谨,或者谁更高级、更本质的问题,怎么理解方便怎么来。
(3)有人再在你面前哔哔,无穷小量不够严谨,你就可以把一本《非标准分析》的书糊在他脸上。
(4)相比潜无穷,实无穷更符合人类的直觉,更容易理解。
(5)现在批评实无穷的声音仍然很大,温和一点的反对者,认为“非标准分析”没有创造什么新知识;激进一点的反对者,更是把《非标准分析(Non-standard Analysis)》称之为《粪析(Bullshit Analysis)》。
(6)经常看到一种说法是无穷小量已经落伍了,数学家已经抛弃这个概念了。对于这种人我只能说太天真了!数学家一个个精的和猴一样,在他们发现被揪着无穷小的漏洞猛锤的时候,人家已经很识趣的换了个说法。今天的所谓极限定义的无穷小其实只是无穷小量的另外一种说法,就像我前面反复说过几遍的观点,极限定义的是潜无穷,讲的是个过程。

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