注:本文所有的讨论都基于经典微积分,非标准分析不在讨论范围内。

我们都知道,无穷大有特定的数学符号,但无穷小有吗?

其实无穷小也有个写法,而且 和无穷大有关系:

无穷小量究竟是否为零

发现了吗?其实无穷小是“0”旋转无穷小量究竟是否为零,而无穷大是0/0(或者说无穷小/无穷小)的简写(在作出这个命名的年代,把0/0作为无穷大看也是正常的,那时候的数学没有现在这么严格)。

既然无穷小和0写法都这么像,它们有什么关系吗?


1 无穷小的历史

1.1 无穷小的由来

无穷小最早指的是比零大,但绝对值小于任意正实数的“数”。即:

无穷小量究竟是否为零,则无穷小量究竟是否为零为无穷小。

这是很符合我们的直觉的。你看我找到一个绝对值比任意正实数都小的“数”,它就是无穷小。

0在当时是不被当作无穷小看待的。

不过有没有“数”,它的绝对值小于任意正实数?这个问题一直没有得到解答(这里就有一个逻辑上的悖论,如果无穷小是数,那么它绝对值就不小于任意非零实数--因为它不小于自身,除非它是零)。

因此人们给了它一些直观形象的解释,如微不足道,九牛一毛。曾经数学家也用山上的一粒尘埃来解释什么是无穷小。

无穷小量究竟是否为零

在这个逻辑下,伟大的数学家莱布尼茨和牛顿都独立发展出了微积分学。

1.2 无穷小的问题

我们知道,“小”是相对于“大”存在的。

当改变参照物时,一些“小”的东西也可以变的很“大”。

如那根毛和牛比,很小,但它和尘埃比也许很大。

而那粒尘埃和山比很小,但在显微镜下,却比许多微生物大。

无穷小量究竟是否为零

但我们希望的是绝对的小,这个小不因参照物的改变而改变。因为它要小于任何数。

正是由于无穷小没有严格的定义。所以引发了数学史上的第二次数学危机。

关于第二次数学危机可以参见微分和导数的关系是什么?两者的几何意义有什么不同?为什么要定义微分

1.3 无穷小的精确定义

数学领域容不得沙子,混在这里是行不通的。经过长时间的努力,终于在极限被定义的情况下(极限定义参看请问如何理解极限的精确定义),无穷小的精确定义终于出现了(要理解无穷小,一定要先理解极限)。

在经典的微积分或数学分析中,无穷小量通常它以函数、序列等形式出现,例如:

一个序列 无穷小量究竟是否为零若满足如下性质:无穷小量究竟是否为零,则序列无穷小量究竟是否为零被称为无穷小量究竟是否为零时的无穷小。

PS:满足无穷小量究竟是否为零无穷小量究竟是否为零无穷小量究竟是否为零时的无穷小。


2 无穷小家族

无穷小有了精确定义。那它都包含哪些成员呢?

2.1 0和无穷小

首先进入无穷小这个大家庭的是之前被排除在外的0

还记得这个可怜的家伙吗?一开始莱布尼茨在说大于零小于任意正实数的时候可是没算上它的。但此时,咸鱼翻身了。

0,你可以看成是常数,也可以是常数函数无穷小量究竟是否为零或者常数数列无穷小量究竟是否为零,都符合无穷小的定义,绝对值小于任意正实数。

如果看作常数函数无穷小量究竟是否为零的话,有:

无穷小量究竟是否为零

不仅如此,甚至可以是:

无穷小量究竟是否为零

也就是说,此函数在定义域范围内处处极限为0,处处都是无穷小。

平反了,平反了,彻底平反了,不止是无穷小!还是处处无穷小!!!

不仅如此,零还是实数内唯一一个无穷小。在实数范围内再也找不到绝对值小于任意正实数的数了。想一想这不仅是千里挑一,万里挑一,是无穷里挑一。零能够作为实数入选无穷小家族,是多么荣幸啊。

无穷小量究竟是否为零

0孤零零的站在无穷小的房子,看看四周。心想难道我没有其他伙伴了吗?

2.2 数列和无穷小

实数范围内是没有了,不过无穷数列过来了。

无穷数列可是个大家族。其中有两个重要派系:

一派叫发散派系:无穷小量究竟是否为零

另一派叫收敛派系,无穷小量究竟是否为零

而能够入住无穷小的,就是来自收敛派系中,无穷小量究竟是否为零的这一支。

别看它们已经是某一派系里的一小支,但成员仍然十分众多。如(说明一下,为了严格,我们用无穷小量究竟是否为零表示通项为无穷小量究竟是否为零的数列):

无穷小量究竟是否为零

还有:

无穷小量究竟是否为零

更有:

无穷小量究竟是否为零

它们的数量甚至是无穷多的。

它们在无穷处的极限都为0,即:

无穷小量究竟是否为零

它们都住进了无穷小的房子里。

特别强调一下,无穷小量究竟是否为零是数列,所以我们可以说无穷小量究竟是否为零是无穷小,而不能说无穷小量究竟是否为零是无穷小。

2.3 函数和无穷小

不能只有无穷小量究竟是否为零时的无穷小啊,而无穷小量究竟是否为零时的无穷小有没有啊

"有!!"。函数登场。

形如:

无穷小量究竟是否为零,就说,无穷小量究竟是否为零无穷小量究竟是否为零时的无穷小。

比如:

无穷小量究竟是否为零

再如:

无穷小量究竟是否为零

等等..等等..

无穷小量究竟是否为零

2.4 无穷小家族

OK,如大家所见,无穷小家族的成员至此全部到齐。

它们有唯一的实数0或无穷小量究竟是否为零无穷小量究竟是否为零

收敛到0的无穷数列。

极限值为0的函数。

来张合影吧:

无穷小量究竟是否为零


3 无穷小为什么不是负无穷?

或许有人会觉得为什么无穷小不是负无穷?我的理解是,比如说物理里面的摩擦力,一般都把摩擦力看成是负的力,只有0才是表示没有力作用的意思,这才符合无穷小的直觉。


4 总结

  • 无穷小不是数,虽然里面有常数0,它是指代一堆“东西”。

  • 无穷小里面包含有:常数0、函数、数列,我们也将全部统称为无穷小,注意,不是哦。

  • 比如数列无穷小,有无数多个数列都是无穷小,而不是只有一个,函数也是一个道理。

  • 无穷小和0相关,而非负无穷大。

无穷小量究竟是否为零

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