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四川省攀枝花市老年科技工作者协会 张喜安
[摘要] 为什么说微积分理论的革新具有历史发展的必然性?其理由之一是,在我们研究康托集合论存在的疑问的同时,发现了与实函数同时存在的超实函数。既然人们发现了超实函数,自然想到是否可以使用超实数理论来建立微积分理论。在我的论文“超实函数理论与微积分新理论的创新”[1]一文中根据超实函数的理论提出了超实微积分的理论,事实证明超实微积分比经典微积分具有很大的优越性。这好比,人类发明了电,自然就使用电灯来取代煤油灯一样。微积分理论革新的理由之二是,实数系统存在悖论,这使人怀疑使用实数系统建立微积分理论的可靠性。微积分理论革新的理由之三是,经典微积分的基本概念,例如变量、无穷小和导数的概念的定义都是描述性的定义,这种定义只能反映研究对象的现象方面,而不能反映研究对象的本质,是属于微积分理论发展的感性认识阶段,它必然被微积分理论发展的理性阶段所取代。
[关键词] 微积分理论 革新 必然性
微积分理论革新的理由之一
为了论述的方便,现在把康托集合论的两个集合间一一对应的定义引述如下:
定义 如果存在函数y=f(x)为集合A→B的双射函数,那么集合A和B为一一对应的关系[2]。
如果[0,1]和[0,2]为两个实数点的集合,现在我们让[0,1]在x轴上,而[0,2]则在y轴上。根据上面康托集合论的两个集合间一一对应的定义,由于存在函数y=2x为[0,1]→[0,2]的双射函数,所以[0,1]和[0,2]为一一对应的关系。这时,[0,1]和[0,2]相互对应的元素(或者点)的性质就存在相同和不同两种可能。如果两个集合间相互对应的元素的性质相同,根据集合论的外延公理,如果集合A的每一个元素都是集合B的元素,同时集合B的每一个元素也是集合A的元素,则A=B。根据上述集合论的外延公理,则[0,1]=[0,2],但这是和客观事实相互矛盾的,因此也是不可能的,所以,[0,1]和[0,2]相互对应的元素的性质只能是不相同的。这时我们就要考虑到,一方面,两个集合的元素的性质应当是几何方面的性质,另一方面集合[0,1]和[0,2]的点的数目相等,但是它们对应的线段的长度却不相等,而对于它们对应的线段的长度不相同的唯一解释就是集合[0,1]和[0,2]上的点具有不同的无限小长度这样的性质。现在假设x轴上的点的无限小长度为dx,y轴上点的无限小长度为dy,并且假设两个集合的点的数目为m。则[0,1]和[0,2]对应的线段的长度分别为mdx和mdy.因为集合[0,,2]对应的线段的长度是集合[0,1]对应的线段的长度的2倍,所以mdy=2mdx,也就是dy=2dx..
根据以上的分析可知,在y=2x的条件下,两个坐标轴上的点具有了无限小的长度,这时两个坐标轴上的点不仅具有到原点距离,而且具有了无限小长度这样的性质。如果我们使用实数x和y表示两个坐标轴上的点到原点的距离,使用dx和dy表示两个坐标轴上的点所具有的无限小长度,这时两个坐标轴上的点可以分别表示为X=x+dx和Y=y+dy.这时两个数轴上的点不仅具有到原点的距离,而且具有无限小长度,这时我们称这样的点为超实数点,其对应的数为超实数,对应的量为超实变量,对应的函数为超实函数。显然,如果有实函数y=f(x),则有超实函数Y=f(X)=f(x+dx).在我的论文“超实函数理论与微积分新理论的创新”中就是根据上面的超实函数给出了超实微积分的理论,它确实比经典微积分理论具有很大的优越性,并且同时指出了,超实函数Y=f(x+dx)和它所对应的实函数y=f(x)是同时存在的,而且实函数只是它所对应的超实函数的伴随函数,请查阅。以上就是微积分理论革新的理由之一。
微积分理论革新的理由之二
实数系统本身存在悖论就是微积分理论革新的理由之二。在现代的数学界, 一般认为经典微积分的理论基础之一是实数系统的无矛盾性,并且同时认为实数系统本身是不存在矛盾的,或者说实数系统是不存在悖论的。果真如此吗?
根据上一节康托集合论的两个集合间一一对应的定义,由于存在函数y=2x为[0,1]→[0,2]的双射函数,所以[0,1]和[0,2]是一一对应的关系,也就是说,这时[0,1]和[0,2]上的点的数目是相等的。根据集合的定义,集合的元素的数目是确定的。因此[0,1]和[0,2]上的点的数目既然相等,就不存在不相等的可能。但是由于存在函数y=x,又因为函数y=x不是[0,1]→[0,2]的双射函数,因此在函数y=x的条件下[0,1]和[0,2]就不是一一对应的关系,而是非一一对应的关系,也就是说在函数y=x的条件下,[0,1]和[0,2]上的点的数目是不相等的。这显然和上面已经证明的[0,1]和[0,2]上的点的数目相等的结果是互相矛盾的,也就是说,实数系统存在悖论。由于实数系统存在悖论,因此这个系统就是一个不可靠的系统,因此在实数系统这个不可靠的系统之上建立微积分理论,其可靠性是值得怀疑的。
3经典微积分革新的理由之三是,经典微积分的一些基本概念的定义,例如变量、无穷小量以及导数的概念的定义都是属于描述性的定义,这种定义不能反映所定义的对象的本质,而反映的仅仅是所定义的对象的现象方面。毛主席说得好,感觉只解决现象问题,理论才解决本质问题。因此现在的经典微积分虽然也有它的优点方面,例如,由于它借助于极限的概念,使微积分理论非常的直观,也非常的容易理解,但是这种微积分理论仍然是微积分理论发展的感性认识阶段,而没有达到认识微积分的本质的理性阶段。为什么这么说呢?下面就来回答这个问题。
首先我们来讨论无穷小量的定义,很多经典微积分的教材在给无穷小量下定义的时候,常常举的例子是,我国战国时代庄子的一句话,一尺之棰,日取其半,万世不竭。这显然是一个描述性的叙述。在这之后,就给出如下的无穷小量的定义:
无穷小量定义 如果变量α,在它的变化过程中,其绝对值能从某一时刻开始,并且以后一直保持小于预先给定的任意小的正数ϵ,且∈>0,则α叫做无穷小量。
在前面论述微积分革新的第一个理由的一节里,我们证明了无穷小量是超实数点的无限小长度,它小于任意正实数,但是不等于0,无限小量所对应的数不属于实数,而是一个新的数,我们称之为无限小数。由此可见,上面经典微积分的无穷小量的定义并没有反映无穷小量的本质。在下面,我们将给出能够反映无穷小量的本质的定义。
这个能够反映无穷小量本质的定义是德国著名哲学家黑格尔给出的,只是黑格尔称无穷小量为无限小量。这个定义是:量所具有的质的方面的量的规定性就是无限小量。[3]
对于上面的黑格尔的无限小量的定义,了解辩证法的同志可能已经理解了它的含义,但是,在这里我还是要根据个人的理解给出如下的解释,如果有不当之处请批评指正。
上面黑格尔的无限小量的定义中所提到的量所具有的质方面,指的是,量和质是辩证统一的关系,量具有质的方面是辩证法的基本规律所决定。例如,阴和阳是辩证统一的关系,因此阳中有阴,阴中有阳。这就是关于量所具有的质的方面的解释。关于质的量的规定性指的是,任意一个事物都具有确定的质(也包括上面提到的量的质的方面的质),当与这个质对应的量在一定的范围内变化时,这个事物的质保持不变,但是,当这个量的变化超出一定的范围,则与其对应的质就发生了变化,与这个质对应的事物就变为另外一种事物了。例如,当水的温度在0°到100°以内变化时,水以及它的性质都保持不变。如果水的温度超出0°到100°的范围,那么水以及与它对应的性质也就不存在了,这就是对于质的量的规定性的解释。根据我个人的理解,上面所提到的超实变量的表达式X=x+dx,其中dx就是无限小量,而黑格尔的无限小量的定义就是对上面的无限小量dx所给出的定义。这里的超实变量X和无限小量dx都是客观实际存在的变量。超实变量X存在和变化的根据就是它这个量的质的方面的量的规定性,也就是无限小量dx,这也就是说,无限小量dx在一定的范围内变化时,超实变量X保持不变,如果无限小量dx的变化超出了一定的范围,则超实变量X就从一个值变为另外的一个值了。从以上的分析可以看出,黑格尔给无限小量dx所作的定义指出了无限小量的本质,那就是无限小量是超实变量存在和变化的根据。如此可见,超实变量X=x+dx不仅表明了量是可增,可减和可以变化的,而且指出了这种变化的根据,而使用实数来表示变量的时候,只能表示变量的可以变化的性质,却不能指出变量变化的原因是什么。因此我们可以得出结论,只有超实变量才是客观实际存在的变量,它反映了客观实际存在的变量的本质,也表示了客观实际存在的变量的存在和变化的根据。因此,使用实数是不可能正确的表示客观实际存在的变量,即超实变量,同样的道理,实函数也不可能正确的表示客观实际存在的函数,即超实函数。
下面我们把复旦大学数学系主编的数学分析上册关于量的概念引述如下:当我们观察各种自然现象或技术过程的时候,我们常常会遇到许多的量,这些量一般可分为两种,一种是在过程进行中保持不变的量,这种量称为常量。还有一种量是在过程进行中会起变化的量,称为变量。[4]上述的关于量的概念或者定义,只是一种描述性的定义,它并没有指出变量存在和变化的根据,也没有指出变量的本质,因此使用实数是不能真实的表示客观实际存在的量,同样的道理,实函数也不可能表示客观实际存在的函数,即超实函数。因此使用实数系统和实函数来建立微积分理论只能说它是微积分理论发展的感性阶段。而只有使用超实函数来建立微积分理论才能达到对于微积分理论的本质的认识。现在让我们来看一看,在超实变量X=x+dx的表达式中,无限小量dx和微积分中的导数概念或者定义的关系。
与超实变量X=x+dx,Y=y+dy相联系的,如果有实函数y=f(x),则有超实函数Y=f(x+dx),这时我们可以得到dy=f(x+dx)-f(x).其中,如果(x,y)表示函数y=f(x)上的一个点,则无限小量dy则表示点(x,y)在y轴上的无限小长度,dx则表示点(x,y)在x轴上的无限小长度。因此超实函数Y=f(x+dx)的导数则等于 dy/dx 。这个式子不仅表示了导数的本质,而且不需要借助于任何东西,只是根据超实函数本身很容易的直接计算出它的导数。反之,经典微积分的导数定义不但没有表示导数的本质,而且必须借助于极限的理论才能求出函数的导数。请查阅我的论文“超实函数理论与微积分新理论的创新”一文,在那里有详细的论述和导数的具体计算方法举例。
总之,经典微积分的一些基本概念,例如变量、无穷小量和导数的定义只是描述性的,这些定义只能表示对象的现象方面而不能表示对象的本质,因此根据这些概念不可能建立起能够反映微积分本质的理论。正如毛泽东主席所指出的:“理论的认识所以和感性的认识不同,是因为,感性的认识是属于事物之片面的、现象的、外部联系的东西,理论的认识则推进了一大步,达到了事物的全体的、本质的、内部联系的东西,------”[5]而人类不断的、长期的实践,对微积分理论的认识,一定能够从感性认识的阶段发展到理性认识的阶段,也就是说,微积分理论从经典微积分的感性认识阶段必然发展到超实微积分的对于微积分的理性认识的阶段。
参考文献
[1]张喜安,超实函数理论与微积分新理论的创新[J]数学大世界2018年(8),68页。
[2]张锦文,集合论与连续统假设浅说,[M]上海教育出版社1980年6月,28页。
[3]黑格尔,逻辑学上册[M],北京商务印书馆,1974年,299页。
[4]复旦大学主编,数学分析上册,[M],上海科学技术出版社,1962年,9页。
[5]毛泽东,毛泽东选集第一卷,[M]人民出版社,1952年,263页。
作者简介,1942年生,男,汉族,辽宁辽阳人,高级工程师。代表作,从黑格尔的无限小定义看微积分存在的问题等。
住址,四川省攀枝花市东区大花地东路4号16栋3单元11号,手机号18281205635
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