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极限法的思考

极限法的思考

作者: gaoshu883 | 来源:发表于2018-04-22 16:49 被阅读0次

1. 极限的起源

古代人们在解决圆的面积或圆周率计算问题时,通常取圆的内接正多边形的面积来近似表示圆的面积,进而计算圆周率等。而且他们发现,内接正多边形的边数越大,多边形越接近圆形,计算圆面积和圆周率也就越准确。中国古代刘徽的割圆术和古希腊人的穷竭法,都是这种思想的实现。前者的基本思想是“割之弥细,所失弥少。割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣。“体现了极限的思想;而后者出于对”极限的恐惧“,没有使用极限的概念,而在有限的基础上利用繁琐的归谬法完成了严谨的证明。结合”芝诺悖论“,可以大概理解古希腊人对”极限的恐惧“和对”无穷小的回避“。

2. 极限概念存在的意义

为什么在人类的长期实践中会产生极限思想,极限存在的原因是什么?极限思想的形成表明自然科学原理存在的必然性,同时也是人类历史活动的产物。从方法论的角度讲,是微积分(高等数学)用于解决实际问题的一种研究手段。

牛顿和莱布尼茨的微积分理论都建立在无穷小分析之上,但他们对作为基本概念的无穷小量的理解与运用却是混乱的,因此受到一些人对微积分理论的反对和抨击,其中,尤以爱尔兰主教贝克莱的抨击最为有力,也由此引发第二次数学危机。贝克莱针对微积分提出的质疑,在历史上称为”贝克莱悖论“,可表述为”无穷小量究竟是否为0“的问题。贝克莱悖论的出现,击中了微积分的要害,使数学家们陷入尴尬境地:无穷小分析的确存在逻辑矛盾,但微积分却在实际应用中效果显著。数学是门严谨缜密的学科,任何存在矛盾的理论都无法赢得真正的公信力,因此18、19世纪,很多数学家都试图解决这场危机,企图建立微积分理论的严密性。18世纪下半叶,达朗贝尔等人认识到,把微积分建立在极限概念的基础之上,微积分才是完善的,柯西最先给出了极限的描述性定义(用不等式来刻画极限,使无穷的运算化为一系列不等式的推导,这就是所谓极限概念的“算术化”),之后,魏尔斯特拉斯给出了极限的严格定义(ε-δ和ε-N定义)。至此,严格的极限理论建立起来,第二次数学危机解决。那么,无穷小量究竟是否为0?从极限的观点看,"无穷小量"就是极限为零的变量。从上面对微积分理论建立过程的简述中,我们可以看出,无穷小分析是微积分的核心,极限理论保证了无穷小分析的严密性。这种严密性主要体现在用数学符号和不等式阐明”无限趋近“、”要多小有多小“等的直观或几何描述。(题外话,高等数学又叫数学分析,而数学分析实则为无穷小分析。)

3. 极限概念中的哲学思想

极限概念中的哲学思想,主要体现在以下几对矛盾的对立和统一关系上:有限与无限,变与不变,量变与质变,近似与准确等。上面提到的无穷小量,在没有建立严格的极限理论之前,其究竟有多小,数学家们无法给出确切的答案,只能模糊地说,”要多小有多小“,但在极限理论下,可以确切地知道其为0。从这个例子中细细品味,便能窥探出上面提到的几对矛盾的关系和相互转化了。

参考资料:

【1】百度百科:数学三大危机,极限理论,贝克莱悖论,第二次数学危机,微积分,割圆术,穷竭法

【2】刘云章. 极限法的哲学思考

【3】刘里鹏. 好的数学:微积分的故事

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