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西方微积分的发展历程证明了微积分不可能是西方原创发明(1.0)

文行先生 文行先生 2022-11-09

今天学生学习高等数学,都是从极限、无穷小概念开始,然后导数,最后才是微积分,即:极限→无穷小→导数→微积分,如此完成学习微积分的基本过程(如下图1),由浅入深,从简单到复杂,这是非常自然的道理。

↑图1:同济大学高等数学第七版上册


但是,从西方微积分发展史看,却是先从微积分开始,然后导数,最后无穷小、极限,才算从逻辑上完善了微积分学体系。


↑图2:西方微积分发展历程


这就好比做成了面包,却不懂面包的原料和配比。但是,这就是西方微积分思想内容发展的“历史事实”。


↑图3:张必胜,《李善兰极限思想研究》,贵州大学学报(自然科学版),2015年6月


这段是对西方微积分思想内容的发展历程的概括。尽管面对微积分思想内容上一系列基础问题的逻辑困难,但是,牛顿却向前向上发展出一系列法则公式,如:

↑图4:William Dunhamw,《微积分的历程》,李伯民译,人民邮电出版社,2010,第14页


这是一个非常基础和非常伟大的法则公式。牛顿是如何得出这个法则公式的呢?牛顿并没有写出这个公式的证明过程,而是从公式结论反推回来,相当于知道答案之后往回反推,如下图:

↑图5:William Dunhamw,《微积分的历程》,李伯民译,人民邮电出版社,2010,第25页


这相当于某人不知道该题怎么解,却事先知道了答案,然后根据答案反推,从而证明了该题结论,这是非常明显的抄袭


地基都没有打好,高楼大厦已经平地而起,高耸入云。


同样,莱布尼茨也是如此。


“莱布尼茨看来选择了逻辑上的权宜之计,他作出补充,即使这些不可分量的性质尚不确定,它们依然可以作为‘用于计算的有力工具’。我们再次看到了令后来的分析学家们进退维谷的数学泥潭。但是在1673年,莱布尼茨急切地向前推进,将这个逻辑上的问题留给下一代人解决。”(William Dunhamw,《微积分的历程》,李伯民译,人民邮电出版社,2010,第28页)


牛顿和莱布尼茨等都无法理解和解释微积分思想内容上的一系列基础知识和逻辑问题,却已经向一系列更高的微积分推理、法则、公式高歌猛进。


“微积分的奠基者已经清楚地说明了应该遵守的运算法则,它们被欧拉、拉格朗日、拉普拉斯以及其他许多人应用于数学和科学问题,取得惊人的成功,这使得人们忽视了该学科令人极不满意的逻辑和哲学状态。整个18世纪,对流数法和微分法基础的本质,存在一种普遍怀疑。在英国,由于牛顿的说明缺乏明晰性,并且使用的符号前后不一致,结果导致了对流数和瞬的混淆。在欧洲大陆,莱布尼茨的追随者忽视了他的形而上学唯理论,企图随心所欲地将微分解释为实际的无穷小甚至零,而且还在这个方面批评莱布尼茨的犹豫不决。”(卡尔·B·波耶,《微积分概念发展史》,唐生译,复旦大学出版社,2007年,第217页)


现在,让我们把目光从高耸入云的高楼大厦转向其地基,来回顾和研究一下西方微积分的一系列基础的知识和逻辑问题。


由于对微分概念理解上的问题,因此不知道微分为何物,这叫导致了理解和逻辑上的问题,这个问题就是西方微积分史上著名的“贝克莱悖论”,如下图:

↑图6:贝克莱悖论


贝克莱对西方早期微积分发展中的一些基础知识和逻辑问题发起攻击和嘲讽。


↑图7:William Dunhamw,《微积分的历程》,李伯民译,人民邮电出版社,2010,第80页


“贝克莱悖论”的核心是,无穷小的量或逐渐消失的量在当时运算过程中,有时候不能为0,有时候又必须为0,那么,它究竟是不是0。


这里的关键概念是,微分、导数、0,即在求导过程中,微分与0是什么关系。事实上,在我看来,能否理解的关键或实质是取决于生活生产实践的积累,取决于一个文明的进程。《淮南子·要略》曰:“至微之论之无形也。……微则无形。”《九章算术》刘徽注曰:“半之弥少,其余弥细。至细曰微,微则无形。”这种基于实践的中国智慧是西方所谓形式逻辑所不能理解的。


贝克莱把微分运算中的这种无穷小的量或逐渐消失的量称为鬼魂,充满神秘。马克思把“神秘的微积分”的这种运算称之为“魔术”。


怎么理解这个悖论、鬼魂、魔术呢?根据马克思的《数学手稿》,达朗贝尔是解决这个问题的一个关键人物,达朗贝尔把牛顿和莱布尼茨的dx或流数概念改变成增量概念,如下图:


↑图8:北京大学《数学手稿》编译组,《马克思数学手稿》,人民出版社,1975年,第88页


也就是说,牛顿和莱布尼茨从一开始就把微分理解为一种神秘的东西,是一种没有实践基础的、也没有数学基础的、纯粹抽象的概念,在我看来,这恰恰就是证明牛顿和莱布尼茨抄袭的证据。现在,达朗贝尔首先把微分dx理解为一个增量Δx,这个增量可以很大,也可以很小,这样在实际运算过程中Δx≠0;然后,在需要的时候,可以令Δx=0;可是,当令Δx=0时,它的含义是什么,这就需要另外一位人物出马,即柯西。马克思把达朗贝尔的贡献称之为把“神秘的微积分”导向“理性的微积分”。显然,马克思的这段理解与上文引用的张必胜文章存在出入。


柯西认为,“微分学的原理及其最重要的应用很容易不借助级数而建立起来……取代的办法是把全部微积分建立在极限思想的基础上。”(William Dunhamw,《微积分的历程》,李伯民译,人民邮电出版社,2010,第88页)


那么,柯西所谓的极限思想是什么?如下图:

↑图9:William Dunhamw,《微积分的历程》,李伯民译,人民邮电出版社,2010,第89页


“多边形的面积持续地越来越接近圆的面积”,柯西对极限概念的这一理解,其实中国古人早在南北朝时期就已作出阐述:“割之弥细,所失弥少。割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣”(《九章算术》方田章圆田术刘徽注)


柯西对极限概念的理解是西方微积分发展史上一个划时代的事件,他使西方微积分学的大厦建立在坚实的基础之上。


从现代大学高等数学教育教材编写顺序看:极限→无穷小→导数→微积分;从西方微积分发展史看:微积分→导数→增量→无穷小→极限→割圆术;从中国微积分发展史看:增量→割圆术→极限→无穷小→导数(王文素)→微积分。


综上所述,中国微积分发展顺序与高等数学教育编写顺序是一致的,这是一种由浅入深、基于实践的正常的自然发展顺序,而西方微积分发展史的顺序却与此相悖,乃因西方抄袭之缘故,抄了答案却理解不了,由于没有文明积累和实践基础,花了一百多年才逐渐理解了。

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