科学上使用的名词,都有它死板的定义,说实话,真是太乏味了。什么叫函数,我们且先来举个不大合适的例。
我想,先把“数”字的意思放宽一些,不必太认真,在这里既不是要算狗肉账,倒也没有什么大碍。这么一来,我可以告诉你,现在的社会中,“女子就是男子的函数”。但你不要误会,以为我是在说女子应当是男子的奴隶。奴隶不奴隶,这是另外的问题。我想说的只是女子的地位是随着男子的地位变的。写到这里,忽然笔锋一转,记起一段笑话,一段戏文上的笑话。有一个穷书生,讨了一个有钱人家的女儿做老婆,因此,平日就以怕老婆出了名。后来,他的运道亨通了,进京朝考,居然一榜及第。他身上披起了蓝衫,许多人侍候着。回到家里,一心以为这回可以向他的老婆复仇了。哪知老婆见了他,仍然是神气活现的样子。他觉得这未免有些奇怪,便问:“从前我穷,你向我摆架子,现在我做了官,为什么你还要摆架子呢?”
她的回答很妙:“愧煞你是一个读书人,还做了官,‘水涨船高’你都不知道吗?”
你懂得“水涨船高”吗?船的位置的高低,是随着水的涨落变的。用数学上的话来说,船的位置就是水的涨落的函数。说女子是男子的函数,也就是同样的理由。在家从父,出嫁从夫,夫死从子,这已经有点儿像函数的样子了。如果还嫌粗略些,我们不妨再精细一点儿说。女子一生下来,父亲是知识阶级,或官僚政客,她就是千金小姐;若父亲是挑粪、担水的,她就是丫头。这个地位一直到了她嫁人以后才会发生改变。这时,改变也很大,嫁的是大官僚,她便是夫人;嫁的是小官僚,她便是太太;嫁的是教书匠,她便是师母;嫁的是生意人,她便是老板娘;嫁的是x,她就是y,y总是随着x变的,自己无法作主。这种情形和“水涨船高”真是一样,所以我说,女子是男子的函数,y是x的函数。
不过,这只是一个用来作比喻的例子,女子的地位虽然随了她所嫁的男子有夫人、太太、师母、老板娘、y……的不同,这只是命运,并非这些人彼此之间骨头真有轻重的差别,所以无法用数量来表示。说是函数,终究有些勉强,真要明了函数的意思,我们还是来正正经经地讲别的例吧!
请你放一支燃着的蜡烛在隔你的嘴一米远的地方,倘若你向着那火焰吹一口气,这口气就会使那火焰歪开、闪动,说不定,因为你的那一口气很大,直接将它吹灭了。倘若你没有吹灭——就是吹灭了也不要紧,重新点着好了——请你将那支蜡烛放到隔你的嘴三米远的地方,你照样再向着那火焰吹一口气,它虽然也会歪开、闪动,却没有前一次厉害了。你不要怕麻烦,这是科学上的所谓实验的态度。你无妨向着蜡烛走近,又退远开来,吹那火焰,看它歪开和闪动的情形。不用费什么事,你就可以证实隔那火焰越远,它歪开得越少。我们就说,火焰歪开的程度是蜡烛和嘴的距离的“函数”。
我们还能够决定这个“函数”的性质,我们称这种函数是“降函数”。当蜡烛和嘴的距离渐渐“加大”的时候,火焰歪开的程度(函数)却逐渐“减小”。
现在,将蜡烛放在固定的位置,你也站好不要再走动,这样蜡烛和嘴的距离便是固定的了。你再来吹那火焰,随着你那一口气的强些或弱些,火焰歪开的程度也就大些或小些。这样看来,火焰歪开的程度,也是吹气的强度的函数。不过,这个函数又是另外一种,性质和前面的有点儿不同,我们称它是“升函数”。当吹气的强度渐渐“加大”的时候,火焰歪开的程度(函数)也逐渐“加大”。
所以,一种现象可以不只是一种情景的函数,即火焰歪开的程度是吹气的强度的升函数,又是蜡烛和嘴的距离的降函数。在这里,有几点应当同时注意到:第一,火焰会歪开,是因为你在吹它;第二,歪开的程度有大小,是因为蜡烛和嘴的距离有远近,以及你吹的气有强弱。倘使你不去吹,它自然不会歪开。即使你去吹,蜡烛和嘴的距离,以及你吹的气的强弱,每次都是一样,那么,它歪开的程度也没有什么变化。所以函数是随着别的数而变的,别的数也得先会变才行。穷书生不会做官,他的老婆自然也就当不来太太。因为这样,这种自己变的数,我们称它为变量或变数。火焰歪开的程度,我们说它是倚靠着两个变数的一个函数。在日常生活中,我们也能找出这类函数来:你用一把锤子去敲钉子,那锤子施加到钉子上的力量,就是锤的重量和它敲下去的速度这两个变量的升函数;还有火炉喷出的热力,就是炉孔的面积的函数。因为炉孔加大,火炉喷出的热力就会渐渐减弱。至于其他的例子,你只要肯留意,随处可见。
你会感到奇怪了吧?数学是一门多么精密、深奥的学科,从这种日常生活中的事件,凭借一点儿简单的推理,怎么就能够扯到函数的数学的概念上去呢?由我们的常识的解说又如何发现函数的意义呢?我们再来讲一个比较细密的例子。
我们用一个可以测定它的变量的函数来做例,就可以发现它的数学的意义。在锅里热着一锅水,放一只寒暑表在水里面,你注意去观察那寒暑表的水银柱。你守在锅子边,将看到那水银柱的高度一直是在变动的,经过的时间越长,它上升得越高。水银柱的高度,就是那水温的函数。这就是说,水银柱的高度是随着水量和水温而变化的。所以倘若测得了所供给的热量,又测得了水量,你就能够求出它们的函数——那水银柱的高来。
对于同量的水增加热量,或是同量的热减少水量,这时水银柱一定会上升得高些,这高度我们是有办法算出的。
由上面的例子看来,无论变数也好,函数也好,它们的值都是不断变动的。以后我们讲到的变数中,特别指出一个或几个来,叫它们是“独立变数”(或者,为了简便,就只叫它变数)。别的呢,就叫它们是“倚变数”,或是这些变数的函数。
对于变数的每一个数值,它的函数都有一个相应的数值。若是我们知道了变数的数值,就可以决定它的函数的相应的数值时,我们就称这个函数为“已知函数”。即如前面的例子,倘若我们知道了物理学上供给热量对水所起的变化的法则,那么,水银柱的高度就是一个已知函数。
我们再来举一个非常简单的例子,还是回到等速运动上去。有一个小孩子,每分钟可以爬五米远,他所爬的距离就是所爬时间的函数。假如他爬的时间用t来表示,那么他爬的距离便是t的函数。在初等代数上,你已经知道这个距离和时间的关系,可以用下面的式子来表示:
d=5t
若是仿照函数的表示法写出来,因为d是t的函数,所以又可以用F(t)来代表d,那就写成:
F(t)=5t
从这个式子中,我们若是知道了t的数值,它的函数F(t)的相应的数值也就可以求出来了。比如,这个在地上爬的小孩子就是你的小弟弟,他是从你家大门口一直爬出去的,恰好你家对面三十多米的地方有一条小河。你坐在家里,一个朋友从外面跑来说看见你的弟弟正在向小河的方向爬去。他从看见你的弟弟到和你说话正好三分钟。那么,你一点儿不用慌张,你的小弟弟一定还不会掉到河里。因为你既知道了t的数值是3,那么F(t)相应的数值便是5×3=15米,距那隔你家三十多米远的河还远着呢!
以下要讲到的函数,我们在这里来说明而且规定它的一个重要性质,就叫作函数的“连续性”。
在上面所举的函数的例子中,那函数都受着变数的连续的变化的支配,跟着从一个数值变到另一个数值,也是“连续的”。在两头的数值当中,它经过了那里面的所有中间数值。比如,水的温度连续地升高,水银柱的高也连续地从最初的高度,经过所有中间的高度,达到最后一步。
你试取两桶温度相差不多的水,例如,甲桶的水温是30℃,乙桶的是32℃,各放一只寒暑表在里面,水银柱的高前者是15厘米,后者是16厘米。这是很容易看出来的,对于2℃温度的差(这是变数),相应的水银柱的高(函数)的差是1厘米。设若你将乙桶的水凉到31.6℃,那么,这只寒暑表的水银柱的高是15.8厘米,而水银柱的高的差就变成0.8厘米了。
这件事情是很明白的:乙桶水从32℃降到31.6℃,中间所有的温度的差,相应的两只寒暑表的水银柱的高的差,是在1厘米和0.8厘米之间。
这话也可以反过来说,我们能够得到两只寒暑表的水银柱的高的差(也是随我们要怎样小都可以,比如是0.4厘米)相应到某个固定温度的差(比如0.8℃)。但是,如果无论我们怎样弄,永远不能使那两桶水的温差小于0.8℃,那么两只寒暑表的水银柱的高的差也就永远不会小于0.4厘米了。
最后,若是两桶水的温度相等,那么水银柱的高也一样。假设这温度是31℃,相应的水银柱的高便是15.5厘米。我们必须要把甲桶水加热到31℃,而把乙桶水凉到31℃,这时两只寒暑表的水银柱一个是上升,一个却是下降,结果都到了15.5厘米的高度。
推到一般的情形去,我们考察一个“连续”函数的时候,就可以证实下面的性质:当变数接近一个定值的时候,或者说得更好一点,“伸张到”一个定值的时候,那函数也“伸张”,经过一些中间值,“达到”一个相应的值,而且总是达到这个相同的值。不但这样,它要达到这个值,那变数也就必须达到它的相应的值。还有,当变数保持着一定的值时,函数也保持着那相应的一定的值。
这个说法,就是“连续函数”的精密的数学定义。由物理学的研究,我们证明了这个定义对于物理的函数是正相符合的。尤其是运动,它表明了连续函数的性质:运动所经过的空间,它是一个时间的函数,只有冲击和反击的现象是例外。再说回去,我们由实测不能得到的运动的连续,我们的直觉却有力量使我们感受到它。多么光荣呀,我们的直觉能结出这般丰盛的果实!