在数学的园地中,微分法这个院落从建筑起来到现在,都在尽量地扩充它的地盘,充实它的内容,它真是与时俱进,越来越繁荣。它最初的基础虽简单,现在,离开那初期的简单的模样,已不知有多远了。它从创立到现在已经是两世纪半,在这二百五十多年中,经过了不少高明工匠的苦心构思,便成了现在的蔚然大观。
很多数学家逐渐扩展它,使它一步步一般化,所谓无限小的计算,或叫作解析数学的这一支,就变成了现在的情景:在数学中占了很广阔的地位,关于它的专门研究,以及一切的应用,也就不是一件容易弄清楚的事!
不过,要进一步去看里面的“西洋景”,这倒很难。毫不客气地说,若还像以前一样,离开许多数学符号,要想讲明白它,那简直是不可能的。因此,只好对不起,关于无限小的计算,我们可以大体讲一下,也就快收场了。但请你不要就此失望,下面所讲到的也还是一样重要。
从我们以前讲过许多次的例子看起来,所有关于运动的问题,都要用到微分法。因为一个关于运动的问题,它所包含着的,无论已知或未知的条件,总不外是延续在某一定时间当中的空间的路程、它的速度和它的加速度,而这三个量又恰好可以由运动的法则和这个法则的诱导函数表明。
所以,知道了运动的法则,就可以求出合于这法则的速度以及加速度。现在假如我们知道一些速度以及一些加速度,并且还知道要适合于它们所必需的一些不同的条件,那么,要表明这运动,就只差找出它的运动法则了。
单只空空洞洞地说,总是不中用,仍然归到切实一点的地步吧。关于速度和加速度,彼此之间有什么条件,在数学上都是用方程式来表示,不过这种方程式和代数上所讲的普通方程式有些不同罢了。最大的不同,就是它里面包含着诱导函数这个宝贝。因此,为了和一般的方程式划分门户,我们就称它是微分方程式。
在代数中,有了一个方程式,是要去找出适合于这方程式的数值来,这个数值我们叫它是这方程式的根。
和这个情形相似,有了一个微分方程式,我们是要去找出一个适合于它的函数来。这里所谓的“适合”是什么意思呢?说明白点儿,就是比如我们找出了一个函数,将它的诱导函数的值,代进原来的微分方程式,这方程式还能成立,那就叫作适合于这个方程式。而这个被找了出来的函数,便称为这个微分方程式的积分。
代数里从一个方程式去求它的根叫作解方程式,对于微分方程式要找适合于它的函数,我们就说是将这微分方程式来积分。
还是来举一个非常简单的例子。
比如在直线上有一点在运动着,它的加速度总是一个常数,这个运动的法则怎样呢?
在这个题目里,假设用y′表示运动的加速度,c代表一个一成不变的常数,那么我们就可以得到一个简单的微分方程式:
y′= c
你清楚地记得加速度就是函数的二次诱导函数,所以现在的问题,就是找出一个函数来,它的二次诱导函数恰好是c。
这里的问题自然是最容易的,前面已经说过,一种均齐变化的运动的加速度是一个常数,但是若由数字上来找这个运动的法则,那就必须要将上面的微分方程式积分。
第一次,我们将它积分得:(设变数是t)
你要问这个式子怎样来的?我不再说了,你看以前的例y″= c,是从一个什么式子微分来的,就可以知道。
不过在这里有个小小的问题,照以前所讲过的诱导函数法算来,下面的两个式子都可以得出同样的结果y″= c,
这两个式子恰好差了一项(一个常数),我们总是用第二个,而把第一个当成一种特殊情形(就是第二式中的a等于零的结果)。那么,a究竟是什么数呢?朋友!对不起,“有人来问我,连我也不知”。我只知道它是一个常数。
这就奇怪了,我们将微分方程式积分得出来的,还是一个不完全确定的回答!但是,朋友!这算不了什么,不用大惊小怪!你在代数里面,解二次方程式时通常就会得出两个根,若问你哪一个对,你只好说都对。倘使,你所解的二次方程式,别人还另外给你一个什么限制,你的答案有时就只能容许有一个了。同这个道理一样,倘使另外还有条件,常数a也可以决定是怎么一回事。上面的两个式子当中,无论哪一个也还是一个微分方程式,再将这个微分方程式积分一次,所得出来的函数,便表示我们所要找的运动法则,dy = c2 t2 + at + b(b又是一个常数)。无限小的计算,虽则我们所举过的例子都只是关于运动的,但物理的现象实在是以运动的研究做基础,所以很多物理现象,我们要去研究它们,发现它们的法则,以及将这些法则表示出来,都离不了这无限小的计算。实际上,除了物理学外,别的科学用到它的地方也非常广阔,天文、化学,这些不用说了,就是生物学和许多社会科学,也要倚赖着它。实际,现在要想走进学术的园地去,恐怕除了作“月姐姐花妹妹”的诗,写“我爱你,你不爱我”的小说,和它不接触的机会总是很少的。