第九十二章 微積分的故事!
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翌日。
清晨時分,旭日東升,一抹朝陽落在清華園。
西院第8號房。
書房內。
窗戶染了一層白霜,一縷縷陽光透過窗戶照進無奈,屋內靜謐無聲,一個木製立式黑板搬進了書房。
“要學微積分,首先你要搞懂微積分是什麽,不能知其然,不知其所以然。”華羅庚立於黑板旁邊,寫下了六個字。
微積分是什麽。
“我們先從最基礎的求麵積講起,在古希臘時期,阿基米德那個時代人,處於初步發展階段的幾何,數學家們遇到一個棘手且嚴峻的問題,那就是求麵積,三角形和正方形這些圖形有麵積公式,所以求解很簡單,但問題在於,那些不規則圖形的麵積該怎麽求?”
“例如我現在畫的這條型曲線,這條曲線圍成的麵積需要求解,但沒有公式,這個時候,如何求解一條曲線圍成的麵積,就成為了當時數學家們研究的問題。”
“阿基米德找到了辦法,餘華,你知道是什麽辦法嗎?”
華羅庚目光看向餘華。
“窮竭法,用熟悉的圖形去無限逼近曲線圍成圖形的麵積。”餘華回答道。
“對,窮竭法,提出者安提芬,改進者歐多克斯,完善者阿基米德,窮竭法思想就是用無限個熟悉圖形去求一條曲線圍成圖形的麵積,在數學史上,窮竭法被視為微積分的前身,且嚴謹性無可挑剔。”
華羅庚右手握著粉筆,畫出窮竭法的求解過程,用一個個三角形去填充型曲線所圍成的麵積,最終求出麵積大小。
整個過程極為繁瑣,但無比嚴謹。
華羅庚求解完成,隨即用板刷擦去公式和圖形,又重新寫下一個新的概念,通過矩形求麵積:
“窮竭法沿用到了十七世紀,這一千多年曆史之中,有我國的割圓術求麵積,但計算過於複雜,並不適用,窮竭法自身局限性也逐漸明顯,對於不同曲線圍成的麵積需要使用不同的圖形去逼近,而不同圖形的證明技巧並不一樣,極為繁瑣,這個時期數學界出現‘用矩形來逼近原圖形’,思想與窮竭法一致,且更加簡單,但矩形求解存在一個問題,那就是失去了嚴謹性,這是一個非常嚴重的情況。”
嚴謹是數學的靈魂。
失去簡單性,數學失去很多愚笨者。
失去嚴謹,數學將會失去一切。
如果一個定理,一個公式,一個數學常數失去了嚴謹性,那意味著整個數學大廈的崩塌。
餘華全神貫注聆聽,關於華羅庚講解的重點,盡數記入腦海之中,理解程度非常迅速。
“牛頓和萊布尼茨對於矩形求解存在的問題非常重視,經過這兩位數學家的不懈研究,牛頓和萊布尼茨意外發現了一個關鍵性東西,也就是微積分最基本和最重要的核心思想,那就是微分與積分之間的互逆運算,用數學公式表達為微積分基本定理。”
華羅庚麵容嚴肅,在黑板上寫下了微積分基本定理:“而在此前,微分和積分,還是兩個單獨學科,微分求導數,積分求麵積,互不相幹,在牛頓和萊布尼茨的作用下,微積分完整體係建立。”
微分與積分之間的互逆運算。
這是微積分的核心,至此,人類文明發展史上極為重要的微積分誕生,微積分基本定理又被稱為牛頓——萊布尼茨公式。
真是天才……
餘華聆聽了微積分誕生的曆史進程,心中微微感歎,將兩個單獨的學科聯係在一起,並且敏銳發現微分和積分之間的互逆運算,不愧是曆史上兩位最頂尖的大牛。
互逆運算是什麽概念?
簡單而言,那就是求麵積的問題,可以轉變為求導數,求導數的問題轉變為求麵積,互相變換。
如果積分之路走不通,那就從低維度研究轉變為高維度研究,用微分解決問題。
如果微分之路走不通,那就從高維度研究轉變為低維度研究,用積分解決問題。
此外,還可逆向積分求麵積。
若你要問它的意義在哪裏?
意義非常重要,在於極大程度上縮減了繁瑣的計算過程,簡化計算難度,極大提升數學各分支的發展效率。
微積分能求的東西實在是太多了,例如微分導數的極值。
極值非常重要,大炮發射的炮彈飛行極限距離,一船貨物利潤數據,從某地出發到某地之間的那條路線距離最近等等。
這是科學研究最重要的工具,亦是由人類親自創造的數學武器。
“當然,這個時候的微積分體係還不算完美,無窮小量問題使得微積分的基礎並不穩固,無窮小量的問題在於通過動態方式來定義極限,一個量在逼近0的過程中,有無數個實數,這樣是行不通的,由此引發第二次數學危機,後來數學家柯西和魏爾斯特拉斯重新定義了極限,至此,微積分的基礎終於穩固,後來由法國數學家勒貝格研究的勒貝格積分,為微積分收官。”
華羅庚緩緩講述關於微積分和無窮小量之間的關係,轉而在黑板上寫出一串公式,這是勒貝格積分:
“我在英國劍橋大學留學期間,曾經有幸去了一趟法國,見到勒貝格先生,收益很大,不過,關於微積分在無窮小的領域,我認為還有很大研究價值,日後你可以嚐試一下這個領域,微積分既是數學研究的基礎,更是科學研究的工具,明白嗎?”
“明白。”餘華聽聞,點了點頭,記下華羅庚送給他的一個數學研究方向。
華羅庚點頭,正色道:“在知道微積分是什麽之後,我們學習起來就更加容易,接下來講函數、導數與極限,第一本書你看了多少?”
“看完三分之一部分,函數和導數都懂。”餘華回應道,昨晚學習時間不長,他隻看了《導數與極限》的三分之一。
“好,那就從極限開始講起。”
華羅庚聽聞,眼中透出讚賞之色,頓了頓,細細講解:“微積分的極限定義為……”