量本来是抽象的,为了容易想象,我们前面说诱导函数的效用和计算法的时候,曾经找出运动的现象来做例。现在要确切一点地来讲明白数学的函数的意义,我们用的方法虽然和前面用过的相似,但要比它更一般些。
诱导函数的一般的定义是怎样的呢?
从以前所讲过的许多例子中,可以看出来:诱导函数是表示函数的变化的,无论那函数所倚靠的变数小到什么地步,总归可表示出函数在那儿所起的变化。诱导函数指示给我们看,那函数什么时候渐渐变大和什么时候渐渐变小。它又指示给我们,这种变化什么时候来得快、什么时候来得慢。而且它所能指示的,并不是大体的情形,简直连变数的值虽只有无限小的一点变化,函数的变化状态也指示得非常清楚。因此,研究函数的时候,诱导函数实在占据着很重要的位置。关于这种巧妙的方法的研究和解释,以及关于它的计算的发明,都是非常有趣的。它的发明十分奇异,结果又十分丰富,这可算是一种奇迹吧!
然而追根究底,它不过是从数学的符号的运用当中诱导出来的。不是吗?我们用Δ这样一个符号放在一个量的前面,算它所表示的量是无限小的,它可以逐渐减小下去,而且是可以无限地减小下去的。我们跟着就研究这种无限小的量的关系,便得出诱导函数这一个奇怪的量。
起源虽很简单,但这些符号也并不是就可以任意诱导出来的。照我们前面已讲明的看来,它们原是为了研究任何函数无限小的变化的基本运算才产生的。它逐渐展开的结果,对于一般的数学的解析,却变成了一个精确、恰当的工具。
这也就是数学中,微分学这一部分,又有人叫它是解析数学的原因。
一直到这里,我们已经好几次说到,对于诱导函数这一类东西,要给它一个精确的定义,但始终还是没有做到,这总算一件憾事。原来要抽象地了解它,本不容易,所以只好慢慢地再说吧。单是从数学计算的实际上,是不能再找到这些东西的定义了,所以只好请符号来说明。一开始举例,我们就用字母来代表运动的东西,这已是一种符号的用法。
后来讲到函数,我们又用到下面这种形式的式子:
y=f(x)
这式子自然也只是一个符号。这符号所表示的意思,虽则前面已经说过,为了明白起见,这里无妨再重述一遍。x表示一个变数,y表示随了x变的一个函数。换句话说就是:对于x的每一个数值,我们都可以将y的相应的数值计算出来。
在函数以后讲到诱导函数,又用过几个符号,将它连在一起,可以得出下面的式子:
y′表示诱导函数,这个式子就是说,诱导函数是:当Δx以及Δy都近于零的时候,?y/Δx这个比的极限。
再把话说得更像教科书式一些,那么:
诱导函数是:“当变数的增量Δx和增量Δy都无限减小时,Δy和Δx的比的极限。”到了这极限时,我们另外用一个符号dy/dx表示。
朋友!你还记得吗?一开场我就说过,为这个符号我曾经碰了一次大钉子,现在你不费吹灰之力就看见了它,总算便宜了你。你好好地记清楚它所表示的意义吧!用场多着呢!有了这个新符号,诱导函数的式子又多一个写法:
dy和dx所表示的都是无限小的量,它们同名不同姓,dy叫y的“微分”,dx叫x的“微分”。在这里,应当注意的是:dy或dx都只是一个符号,若看成和代数上写的ab或xy一般,以为是d和y或d和x相乘的意思,那就大错了。好比一个人姓张,你却叫他一声弓长先生,你想,他会不会对你失敬呢?
从dy/dx=y′这式子变化一番,就可得出一个很重要的关系:
这就是说:“函数的微分等于诱导函数和变数的微分的乘积。”
我们已经规定清楚了几个数学符号的意思:什么是诱导函数、什么是无限小、什么是微分。现在就用它们来研究和分解几个不同的变数。
对于这些符号,老实说,也可以像其他符号一样,用到各种各样的计算中。但是有一点要非常小心,和这些量的定义矛盾的地方就得避开。
闲话少讲,还是举几个例子出来,先举一个最简单的。
假如S是一个常数,等于三个有限的量a、b、c与三个无限小的量dx,dy,dz的和,我们就知道:
在这个式子里面,因为dx、dy、dz都是无限小的变量,而且可以任意使它们小到不可用言语表达出来的地步,因此干脆一点,我们简直可以使它们都等于零,那就得出下面的式子:
你又要捉到一个漏洞了。早先我们说芝诺把无限小想成等于零是错的,现在我却自己马马虎虎地也跳进了这个圈子。但是,朋友!小心之余还得小心,捉漏洞,你要看好了它真是一个漏洞,不然,近视眼看着墙壁上的一只小钉,以为是苍蝇,一手拍去,对钉子来说没有什么大碍,然而手该多痛啊!
在这个例子中,因为S和a、b、c都是有限的量,不能偷换,留几个小把戏夹杂在当中跳去跳来,反而不雅观,这才可以干脆说它们都等于零。芝诺所谈的问题,他讲到无限小的时间,同时讲到无限小的空间,两个小把戏跳在一起,那就马虎不得,干脆不来了。所以假如一个式子中不但有无限小的量,还有另一个无限小的量相互关连着,那我们就不能硬生生地说它们等于零,将它们消去,我们在前面不是已经看到过吗?无限小和无限小关连着,会得出有限的值来。朋友!有一句俗话说:“一斗芝麻拈一颗,有你不多,无你不少。”但是倘若就只有两三颗芝麻,你拈去了一颗,不是只剩二分之一或三分之二了吗?
无限小可以省去和不省去的条件你明白了吗?无限大也是一样的。
上面的例子是说,在一个式子当中,若是含有一些有限的数和一些无限小的数,那无限小的数通常可以略掉。假如在一个式子中所含有的,有些是无限小的数,有些却是两个无限小的数的乘积。小数和小数相乘,数值便越乘越小。一个无限小的数已经够小了,何况是两个无限小的数的乘积呢?因此,这个乘积对于无限小的数,同前面的理由一样,也可以略去。假如,有一个下面的式子:
在这里面dv也是一个无限小的数,所以右边的第二项便是两个无限小的数的乘积,它对于一个无限小的数来说,简直是无限小中的无限小。对于有限数,无限小的数可以略去。同样地,对于无限小的数,这无限小中的无限小,也就可以略去。
两个无限小的数的乘积,对于一个无限小的数说,我们称它为二次无限小数。同样地,假如有三个或四个无限小数相乘的积,对于一个无限小的数(平常我们也说它是一次无限小的数),我们就称它为三次或四次无限小的数。通常二次以上的,我们都称它们为高次无限小的数。假如,我们把有限的数,当成零次的无限小的数看,那么,我们可以这样说:在一个式子中,次数较高的无限小数对于次数较低的,通常可以略去。所以,一次无限小的数对于有限的数,可以略去,二次无限小的数对于一次的,也可以略去。
在前面的式子当中,我们已经知道,若两边都用同样的数去除,结果还是相等的。我们现在就用dx去除,于是得出:在这个新得出来的式子当中,左边dy/dx所含的是两个无限小的数,它dx们的比等于有限的数y′。这y′我们称为函数y对于变数x的诱导函数。因为y′是有限的数,dv是无限小的,所以它对于y′可以略去。因此,dy/dx=y′或是两边再用dx去乘,这式子也是不变的,所以:dy=y′dx
这个式子和之前比较,就是少了那两个无限小的数的乘积(dv dx)这一项。
这一节到此结束,我们再换个新鲜的题目来谈吧!