極限和無窮小的這種親密關係,你可以自己動手畫個圖形來看就更清楚了。
你看,把等腰三角形ABC的底邊AC分成8等份,作一個內接台階形。台階形的麵積與ΔABC的麵積的差,就是圖上靠在兩腰上的8個小三角形麵積的和。
當我們把底邊AC分成為16等分時,內接台階形的麵積就更接近ΔABC的麵積了。也就是說,邊上16個小三角形麵積的和變得更小了。
當我們把底邊AC分劃的份數無限增多時,台階形麵積的極限就是ΔABC的麵積。也就是靠兩腰的三角形個數無限增加,而它們的麵積的和是一個無窮小。
駁倒大主教
前麵講到牛頓從平均速度出發,正確地求出了瞬時速度。但是,他說不清楚Δt是不是零,以至被大主教貝克萊鑽了空子,胡說Δt是什麼消失了數量的“量的鬼魂”。有了極限,我們就可以駁倒貝克萊的謊言了。
牛頓求瞬時速度的方法,是先求出平均速度v=ΔsΔt;當Δt越來越小時,平均速度越來越接近瞬時速度。還是拿前麵的航船作例子,s=t2,Δs=4Δt+(Δt)2,平均速度v=ΔsΔt=4+Δt。
我們可以給Δt-串越來越小的數值:
Δt=1秒,0.1秒,0.01秒,0.001秒…相應地得到平均速度v的一串數值:
v=5米/秒,4.1米/秒,4.01米/秒,4.001米/秒…隨著Δt越來越接近於零,平均速度v越來越接近4米/秒。它可以近到“你要多近有多近”
,“你說多近,可以近到比你說的還近”。這就是說,4米/秒是平均速度的極限。
那麼,Δt究竟是不是零呢?
從Δt的變化過程,我們可以清楚地看出,雖然Δt的值越來越小——1,0.1,0.01,0.001,…但是它始終不等於零,所以我們求平均速度時,可以放心地拿Δt去除Δs,這樣,平均速度ΔsΔt總是有意義的。
在Δt趨近於零的過程中,瞬時速度是平均速度的極限。這就是說,在取極限過程中,Δt始終沒有取零。所以,不用擔心會出現Δt=0這個不合理的步驟。
由於極限的結果與令Δt=0的結果完全一樣,所以,牛頓能正確地求出瞬時速度的數值。在牛頓求瞬時速度的時候,極限的思想和方法還沒有很好地建立起來,他隻從結果上考慮,令Δt=0,造成了理論上的缺欠,讓貝克萊鑽了空子。
從極限角度看來,Δt是一個無窮小,以零為極限。
小扇形問題
開普勒一開始就把圓分割成無窮多個小扇形,正確地求出了圓麵積。但是他說不清楚,每個小扇形的麵積是不是零。
從極限角度來看,在開普勒對圓進行細分的過程中,得到了一串越來越小的小扇形麵積,這些小扇形的麵積,組成的數列是一個無窮小。它本身不是零,而是以零為極限。
當開普勒把小扇形換成為小三角形以後,小三角形麵積的和,就是圓麵積的近似值了。小扇形越小,相應的小三角形也越小,它們相差得也越小。這樣,小三角形麵積的和,也就越接近圓麵積了。
在細分圓的過程中,小三角形麵積的和組成了一個無窮數列,圓麵積就是這個無窮數列的極限。
卡瓦利裏用“不可分量”的方法求麵積和體積遺留下來的問題,也同樣可以用極限把它說清楚。
五、巧妙的方法
極限和無窮小緊緊相連,是無限過程的結果。要是把極限比做一曲動聽的交響樂,那它的每一個樂章,都離不開無限這個主題。
π等於多少π等於多少?
你回答:π等於3.1416。
3.1416是π的近似值,π的精確值等於多少?
你回答:π是一個無理數,是一個無限不循環小數。因為無限而又不循環,所以需要沒完沒了地寫下去,並且永遠也別想把它寫完。
答得很好。既然π的值需要沒完沒了地寫下去,永遠也寫不完,你怎麼知道π一定存在呢?
你問道:這……這是什麼問題呀?
這個問題很重要。看來,你還沒想到過這個問題。
整數和分數的存在是不容懷疑的。無限循環小數可以化成分數,它的存在也是不容懷疑的。
一個永遠寫不完、又沒有循環規律的無限不循環小數,怎麼能肯定它的存在呢?
仔細想想這個問題,實在有認真研究的必要。下麵,我們就來談談這個問題。
胡同裏捉雞
不知誰家的雞跑到胡同裏來了。
忽然,從一家院子裏跑出來了一個小男孩,他想捉住這隻雞。隻見雞在前麵,一會兒快跑,一會兒慢走;小男孩一個勁在後麵追,累得滿頭大汗,也沒有捉住雞。
這時候,從胡同的另一頭,走來了一個小女孩,兩個人一人把住一頭,一步一步地逼近雞。
當兩個小孩碰麵的時候,雞無處可逃,終於被捉住了。
小胡同裏捉雞啟發了我們。如果把數軸當作一條小胡同,把π當作跑進胡同裏的雞,看看我們能不能用胡同裏捉雞的辦法,去捉住π這隻雞。如果能夠捉住,當然就可以肯定π的存在了。
在捉π的時候,我們通過圓內接正多邊形和外切正多邊形,可以不斷地算出π的不足近似值和過剩近似值,用這兩串數把π夾在中間: