原本的第一句话给微积分重新打开思路

其实作为一个大学高数差点挂科的人来说,谈论这个话题本身是奇怪的,不过我相信我的文字是具有力量的,真理的伟大就在于它闪耀着理性的光辉,这种光辉不会因为任何权威或者偏见被压倒。

大学高数学过的极限的定义,我已经忘记得差不多了,又或者说,我从来没有真正记得过,但是当我的记忆又一次回到高一的第一节数学课,我的一个同学向我解释了一个很好玩的例子,他也是我高中时期为数不多钦佩的人之一,他拿出笔写下了四个等式:

1/3 = 0.333...

1/3 * 3 = 1

0.333... * 3 = 0.999...

0.999... = 1

我当时没有接触过这样的思想,但是对于一个刚接触高中数学的人来说,这个思想无疑是比较具有开拓性的,我开始思考为何无限接近就相等,这个和极限的定义也是相悖的,极限就是极限,并没有说函数的值就等于极限。

不过在我大学毕业半年的春节这段时间,我可算明白为什么了,我重新翻开了《几何原本》,第一章第一句话,上面赫然写着几个大字。

点是没有部分的

我无意于探索这句话背后的哲学思想,但是我们可以看到,点虽然没有大小,但是它的确属于不可分割的最小部分,它是存在的!关键不是在于它多大,而是它的存在性,点不只是作为分割的最小单位,它也承载了分割和关连线段的功能,也就是说,正是因为点的存在,我们的公理系统才足以建立,因为点的存在,我们可以得到关于部分和整体的比较,它们理论上虽然都具有“无数”个点,但是部分和整体是不相等的!部分一定要小于整体,也就是说无穷大是可以比较大小的,正是因为点作为单位的存在。

从点的定义,我们可以看到,极限的出现,正是因为我们的函数到达了那个最小的单位,以至于可以跨越那个最小的单位,又或者,极限和函数值本身只差那一个最小的单位点了,这个单位点恰好可以被跨越,而不是一直被分下去,因为点是没有部分的,它不可以再分了。

我们为了让这个论点更加可靠,举一个例子,也就是古希腊哲学家芝诺的例子,芝诺曾经举过一个关于阿基里斯与龟的故事,这个故事是说,阿基里斯是古希腊跑步最快的人,但是呢,芝诺宣称,要是让乌龟和阿基里斯赛跑,乌龟要是超前阿基里斯一百米,阿基里斯的速度虽然是乌龟的十倍,他却永远追不上乌龟。这个论点从事实看来,是及其荒谬的,我们暂且看看芝诺的论证。

芝诺说,当阿基里斯跑了100米的时候,乌龟恰好跑了10米。

当阿基里斯跑了10米的时候,乌龟恰好跑了1米。

当阿基里斯跑了1米的时候,乌龟恰好跑了0.1米。

当阿基里斯跑了0.1米的时候,乌龟恰好跑了0.01米。

。。。

就这样下去,阿基里斯永远也追不到乌龟了,这个悖论的解决有了《原本》里的定义,就很容易解决,因为分割的最小单位是点,无论这个点多么小,反正它不能再分了,如果说承认了可以分割,就是承认了分割点的存在,这个点必须是不可分割的,才可以继续分割,于是最小的不可分割的那个点一定存在。但是如果我们说承认不可以继续分割,那么当前这个位置就到达了那个可以跨越的点了,它一定可以到达,因为我们分割的依据就是存在那个不可分割的点,如果我们说这个点还可以继续分,那么它就不存在,也就推翻了我们最初的设定,这是违背逻辑的一致性的,我们不可以在推理得过程中同时说一个东西既存在又不存在,说了等于没说,当然这个点我们可以取得很大,只要保证存在且唯一,我们的推理就是完备的,比如说一米的时候,我们的一米就无法再分了,你要么跳过去,要么停在原地,因为我们必须存在一个最小的分割体,也就是点,我们才可以进行分割,这是分割的依据,这个最小的值是多小,我们不知道,但是它是存在且唯一的!因为我们的定义就是把它看作是存在的。这个论点也可以这样来描述,111.111...这个无限循环小数虽然无限循环下去,我们不知道它到底有多少位,但是它肯定是存在且唯一的,并且它肯定小于111.1...2,因为111.1...1+0.0...1=111.1...2,这里0.0...1省略号表示的0的数目就是对应111.1...1和111.1...2的省略号表示1的数目,我们不知道它到底多少个,反正它是一个确定的数字,并且是唯一的,或者说111.1...1 < 111.1...2不等式里,这个中间的1无论多少个,它俩的数目是一样的,所以这个不等式成立,阿基里斯最终会到达111.1...2,超过乌龟。

这个悖论被成功解决,当然,庄子的“一尺之捶,日取其半,万世不竭”也就成了一种空谈,几乎难以想象,整个现代数学大厦的基础,悖论的源头竟然是因为《原本》里的第一个隐含定义。可想而知微积分发明人莱布尼茨为何把他的哲学专著取名《单子论》了,因为从始至终,他的脑子里,从原本的知识而来的公理里面,极限就没有出现过,也没有必要出现,无限逼近就是相等,因为最小的单子终将被跨越,乌龟是会被追上的。

多说一句,物理学和分析数学的差异其实就是在于极限的这个地方,物理学是有单位的,数学里面的微积分却不引入单位,数学家们整日在悖论的深渊里面打转,却忘记了最初的隐含前提。事实是比推理可靠的,因为最初的公理源于事实。

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