在数学的园地中,微分法这一个院落从建筑起来的时候直到现在,它都在尽量地扩充它的地盘,充实它的内容,它真是与时俱进地,越来越繁荣。因了这样,它最初的基础虽很简单,现在,离开那初期的简单的模样,已不知有多远了。它从建始到现在已经是两世纪半,这二百五十来年当中,经过了不少的高明工匠的惨淡经营,便成了现在的蔚然大观。
由很多的数学家,逐渐逐渐地使它展开,一步一步地将它一般化,所谓无限小的计算,或叫作数学分析的这一支,就变成现在的情景: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,再要进一步去看里面的“西洋景”,这倒很难。不客气点说,还要和以前一般,离开了许多数学的符号,而想讲明白它,那简直是不可能的。因此,只好对不起,关于无限小的计算,我们所可以这般常识地讲一点大意的,也就快收场了。但请你还不要就失望,下面所讲到的,也还是一样地重要。
从我们以前所讲过许多次数的例子看起来,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,而这三个量又恰好由运动的法则和这个法则的导数可以表明。
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,总是不中用的,仍然归到切实一点的地步吧。关于速度和加速度,它们彼此中间有什么条件,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两样罢了。最大的不同,就是它里面包含着导数这个宝贝。因此,为了和一般的方程式划分门户,我们就喊它是微分方程式。
在代数中,我们有了一个方程式,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。
和这个情形相类的,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?明白点说,就是比如我们找出了一个函数,将它的导数的值,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。
还是来举一个顶顶简单的例子。
比如有一点,它是在直线上运动着的,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代表一个老是不变的常数,那么我们就可以得到一个简单的微分方程式:
y"=c
你记得清楚加速度就是函数的二阶导数,所以现在的问题,就是要找出一个函数来,它的二阶导数恰好是c。
这里的问题,自然是天字第一号容易的,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)
y'=ct
你要问这个式子怎样来的吗?我却不再说了,你看以前的例子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,照以前所讲过的导数法算来,下面的两个式子都可以得出同样的结果y"=c,
y'=ct
y'=ct+a(a也是一个常数)
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”,我只晓得它是一个常数。
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,所以很多的物理现象,我们要去研究它们,要去发现它们的法则,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。