七、无限小的量(1 / 1)

量本来是抽象的,为了容易想象的缘故,我们前面说导数的效用和计算法的时候,曾经找出运动的现象来做例子。现在更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已经用过的相仿佛,但要比它更一般些。

导数的一般的定义是怎样的呢?

从以前所讲过的许多例子,我们知道:导数是表示函数的变化的,无论那函数所倚靠着的变数,它的变化小到什么地步,总归可表示出函数在那当儿所起的变化。导数指示给我们看,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,导数实在占着很重要的位置。关于这种巧妙的方法的研究和解释,以及它的计算的发明,都是非常有趣的。它的发明真是十分的奇异,而结果又十分的丰富,这可算得是一种奇迹吧!

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?这样一个符号放在一个量的前面,算它所表示的量是无限地小,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,便得出导数这一个奇怪的量。

不过起源虽很简单,但这些符号也并不是就可以任意诱导出来的。照我们前面所已讲明的看来,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,却变成了一个很精当的工具。

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,对于导数这一类的东西,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,本不很容易,所以还只得慢慢地再说吧。单是从数学计算的实际上,这些东西的定义是不能再找到的了,所以仍旧只好请符号来说明。一起头举例,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一个式子:

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。

在函数以后讲到导数,又用过几个符号,将它连在一起,可以得出下面的一个式子:

再把话说得更像教科书式一些,那么:

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的,现在你也会见它了,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,导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叫着y的“微分”,dx叫x的“微分”。在这里,应得小心的是: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?

dy=y'dx

这就是说:“函数的微分等于导数和变数的微分的乘积。”

我们已经规定明白了几个数学符号的意思,什么是导数,什么是无限小,同着什么是微分,现在就来使用它们一回,用它们来研究和分解几个不同的变数。

对于这些符号,老实不客气,我们也可以照别的符号一般,用到各色的计算上面去。但是有一点却要非常地小心,和这些量的定义矛盾的地方就得避开。

闲话少讲,还是拿几个例子出来,先来个简单之中最简单的。

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:

a+b+c+dx+dy+dz=S

在这个式子里面,因为dx、dy、dz都是无限小的变量,而且可以任我们的意使它们小到不可名言的地步的。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:

a+b+c=S

你又会要捉到一个漏洞了。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,当是苍蝇,一手拍去,于钉子固无伤,然而如手痛何!

在这个例子中,因为S和a、b、c全都是有限的量,一点儿偷换不来,留几个小把戏夹杂在当中跳去跳来的,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,两个小把戏自己跳在一起,那就马虎不得,干脆不来了。所以假如在一个式子中不但有无限小的量,还有几个无限小的量相互关联着,那我们就没有硬派它们等于零,将它们消去的权利,我们在前面不是已经看到过吗?无限小和无限小关联着,会得出有限的值来的。朋友!有一句俗话说:“一斗芝麻拣出一颗,有它无多,无它不少。”但是倘若就只有两三颗芝麻,你拣去了一颗,不是只剩二分之一或三分之一了吗?

无限小可以省去和不能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。一个无限小的数已够小了,何况还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,同前面的理由一般,也可以略去。假如我们有下面的一个式子:

dy=y'dx+dvdx

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说起来,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,当成零次的无限的小数看,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,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,于是我们得:

这个式子和原来的式子比较,就是少了那两个无限小的数的乘积(dv dx)这一项。

这一节我们就此停止,再换个新鲜的题目来谈吧!