当今,数学的进步并没有停止,比如,合理地利用“无穷数”便是一例。无穷数包括无穷小与无穷大(两者都是”理想数“,但不是”梦中数“)。
大家知道,以往数学家喜欢使用记号“∞”来表示无穷的数量。但是,在《基础微积分》电子版教材在第三章第八节第160页上给出一个超整数的定义
DEFINITION
A hyperinteger(超整数)is a hyperreal number y such that y=[x] for some hyperreal x.
此处,[x]表示不超过超实数x的最大整数,比如,用H、K表示超整数。在一般人看来,H、K是非常、非常大的整数(当然,也有负的超整数),存在于符号”∞“之中。它们有什么用呢?
《基础微积分》电子版在第三章第八节第162页给出一个有关连续函数的“中介值定理”(Intermediate Value Theorem,也叫Bolzano零点定理,出现在1817年),定理的原文叙述较长,在此省略,中心意思是:函数f在闭区间[a,b]上连续,且f(a)<0,f(b)>0,那么,“f has a zero(零点)in the interval (a,b),that is,f(c)=0 for some real c in (a,b).”
这是一条非常重要的基本定理,因为,连续函数的其他属性均出自这条基本定理。很不幸的是,同济大学《高等数学》第一章第十节第71页对此定理“不予证明”;复旦大学《数学分析》第二章第五节第89页对此定理(“零点存在定理”)也不给予数学证明,只有菲氏《微积分学教程》在第一卷第二章第五节第137页给出两种数学证明(几乎用去3个页面)。
在《基础微积分》电子版中,J.Keisler巧妙地给出了给定理的一个严格的无穷小“证明”,大意如下:我们将区间[a,b]无限地细分成长度均为无穷小δ的子区间,分点分别是a,a+δ, a+2δ, a+3δ,......那么,必然会出现以下情况:
f(a+Kδ)< 0 < f(a+(K+1)δ)
这里,a+Kδ是最后(last)那个使上式成立的“分点”,K是一个很大的超整数。现在,令c=st(a+Kδ),c是实数。根据f在[a,b]上的连续性,f(a+Kδ)≈f(c),而且,f(a+(K+1)δ)≈f(c),也就是说,既要求f(c)小于或等于零,同时,又要求f(c)大于或等于零,所以,我们只有f(c)=0的一种可能性。证毕。
由此可见,无限地接近关系“≈”与取标准部分函数“st”是无穷小微积分的两个“法宝”,如今有了超整数H、K的帮忙,无穷小微积分就几乎“无所不能”了。中国的孩子不比俄罗斯的孩子笨,完全能够掌握无限地接近“≈”的概念与学会操作代数运算“st”,只要他们敢于接受无穷小以及超整数H与K的观念。乌呼!
说明:本文想表明的是,不懂得连续函数“零点定理”的证明,不知道一只小蚂蚁从园的内部爬出去必须通过圆周的道理,是一种思想上的“缺陷”。