微積分的dx(二):從級數到函數論

上回我們簡單介紹了「無限小」的概念,而這回我們將時光倒流,看看在微積分剛剛發明後的大約100年期間的樣貌,以及這100年之後催生出的「極限」的概念,以及於此同時,質疑「函數」的思潮。

撰文|李龍欣

●十七、十八世紀的微積分

17世紀中期微積分發明之後,有許多未解的問題得到重大突破。例如在幾何方面,本來只能處理二次曲線的問題,但微積分用在其他曲線也有用。在處理過這些問題後,有很多曲線都可以寫成幂級數 (power series)──簡單來說就是把多項式變成無限多項。例如:

牛頓在分類三次曲線時尚須借助微積分,微積分又能處理無限多項的多項式,多麼振奮人心啊!也難怪 布魯克·泰勒(Brook Taylor,1685─1731) 會想要把所有函數都變成幂級數,而這個幂級數稱為泰勒展開式 (Taylor expansion):

順帶一提,列翁哈特·歐拉(Leonhard Euler,1707─1783) 對於無限多個數相加這件事有獨到的見解。幂級數在他手中能有千變萬化,甚至能夠因式分解。

可是幂級數並沒有那麼美好。例如我們知道等比級數的公式

歐拉注意到以下的推論 (分別代入 r=n 和 r=1/n) 不合理:

桂斗·格然迪(Guido Grandi,1671─1742) 也注意到在等比級數中代入 r=-1 的話會得到

這幾個例子都顯示出我們要更嚴肅地看待函數的運算。

 

●極限 (limit)

我們對於有限小的數做為分母、有限多個數相加都沒有問題,可是無限小的數做為分母、無限多個數相加本來就大有問題。時間回到18世紀的英國,詹姆士·朱林(James Jurin,1684─1750) 和 班哲明·羅賓斯(Benjamin Robins,1707─1751) 為首的兩派學者基於牛頓所提出的「極限」(limit) 的雛形展開筆戰,或許有影響到後人。歐陸方面,冉勒宏·達朗貝爾(Jean-le-Rond d'Alembert,1717─1783) 運用「極限」重新詮釋微分。譬如曲線 y=f(x) 上有兩個點 (x,f(x)) 和 (x+Δx,f(x+Δx)),將兩點連起來得到的直線稱為割線 (secant line)。當 Δx 越小,這條直線就越接近 (x,f(x)) 的切線 (tangent line),而割線的斜率也往切線的斜率靠近,而切線的斜率就是微分。

圖1:割線與切線。圖片來源:《Introduction to Calculus and Analysis》。R. Courant、F. John 著。初版(1989)。Springer-Verlag 出版(紐約/柏林/海德堡)

 

從有限小的 Δx 模擬無限小的 dx,這就是「極限」。從算式中可以看出其對應關係:

 

來到了19世紀,奧古斯丁·柯西(Augustin Cauchy,1789─1857) 進一步詮釋,為了方便應用到證明中,在敘述時需要先假設我們知道割線的斜率靠近的是哪個數,再把這個數稱為割線斜率的極限。達朗貝爾、柯西用文字描述極限而有點拗口,後來 卡爾·外爾許特拉斯(Karl Weierstraß,1815─1897) 發明的「ε-δ語言」敘述起來更精簡但精神相同。

至於積分方面,回到原本的方法,用長方形面積來估計圖形的面積。長方形的寬度為 Δx註1,高度和每一小段曲線的左端一樣高,如下圖所示:

圖2:黎曼和。
圖片來源:《Elementary Calculus: An Infinitesimal Approach》。H. Keisler 著。2019年9月修訂版。於網路免費公開。網址:http://www.math.wisc.edu/~keisler/calc.html。另有印刷版:第三版(2012)。Dover 出版(紐約)。

 

當 Δx 有限小、長方形有限多時的面積和稱為黎曼和 (Riemann sum)。當切割越來越細時,黎曼和的極限就是曲線下的面積。可以用算式表達為:

同樣是用有限小的 Δx 模擬無限小的 dx。

●函數論 (theory of functions)

函數的意義從18世紀到19世紀經歷一大轉變。原本的函數所象徵的是「計算方法」,必需要是「可以算的」。後來發現函數能否計算、甚至是能否描述出來,似乎跟能否做微積分沒什麼關係了。因而需要針對能否做微積分的部分重新審視。例如下列兩個問題:

一、無窮和是否真的是數?哪些函數是幂級數?

為何要問這個問題?因為柯西發現一個泰勒展開式為 0 但原函數不是 0 的函數:

所以這個函數不是一個幂級數。

以一個幂級數

來說,當 |x-a| 越小註2,越有機會讓總和有限,而柯西也證明了確實如此。用柯西的根值檢驗法 (root test),可以找到收斂半徑 (radius of convergence)。在 |x-a| 小於收斂半徑時都能當做函數並且用18世紀的方法做微積分。反之,在 |x-a| 等於收斂半徑時一定會在某些點遇到總和為無限大的問題。

 

二、什麼函數可以積分?

柯西首先用極限描述積分之後,貝恩哈特·黎曼(Bernhard Riemann,1826─1866) 認為並沒有理由要用左端點,而改成用曲線上任一點,並且只有當任意取法都得到同一個極限時才算是可以積分。接下來又進一步試圖改進的有很多,主要有:昂里·勒貝格(Henri Lebesgue,1875─1941)、托馬斯·斯提爾切斯(Thomas Stieltjes,1856─1894)、約翰·拉董(Johann Radon,1887─1956)。各個理論的「能夠積分」的函數各自略有不同。

而這兩個問題也分別成為複變分析 (complex analysis)、實變分析 (real analysis) 的開端。

 

註解:
[1] 在柯西和黎曼的定義中,長方形的寬度不必相等,但是必須在取極限時全部縮小至 0。
[2] 兩直劃的記號為複數的絕對值。

參考資料
[1] 《A History of Mathematics》。F. Cajori 著。第二版(1961)。Macmillan 出版(紐約)。
[2] 《A History of Mathematics》。U. Merzbach、C. Boyer 著。第三版(2011)。Wiley 出版(紐澤西)。
[3] 《The Calculus Gallery: Masterpieces from Newton to Lebesgue》。W. Dunham 著。初版(2005)。Princeton University Press 出版(紐澤西)。
[4] 〈Newton and Infinite Series〉。大英百科全書。於網路公開。網址:https://www.britannica.com/topic/Newton-and-Infinite-Series-1368282

 

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