《數學物理趣談:從無窮小開始》重點介紹了現代物理中常用的一些數學方法,包括微積分、變分法、微分方程、微分幾何等領域的基礎知識。作者以深入淺出的解釋、直觀明白的圖像、生動有趣的語言,使你初步了解這些基礎的數學概念,以及與它們相關的物理應用實例。帶領你追溯數學物理的源頭,從趣味中體會數學之美,帶你進入數學物理及與其發(fā)展緊密相關的理論物理的大門。
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第1章 無窮小的魔術
“數學是關于無窮的科學。”——大數學家希爾伯特名言
1. 從微積分說起
有朋友對我說,簡單的初等數學永遠能記住,因為它對日常生活很有用處,比如算賬什么的就需要。至于微積分嘛,早都還給老師去了,因為它與實際生活沒有關系啊!微積分與我們日常生活真的無關嗎?其實不然,看了下面這幾個例子,也許你的看法就不一樣了。
你去爬山時一定注意過山坡的形狀,有的簡單、有的復雜,或高或低、或平或陡。但無論何種形狀,山坡的高度總是隨著離山腳下出發(fā)點的距離而變化的。有的部分很陡,也就是說高度變化得很快;而另一些部分比較平坦,即高度變化得慢,或者幾乎不變。如何來描述高度的這種變化呢?快還是慢,陡還是平?我們可以用一個叫“坡度”的數值來表示。坡度定義為高度的增加與你走過的水平距離的比值。比如,如果像圖1.1(a)所示的簡單形狀,用初等數學中的簡單幾何知識就能描述,不就是幾條直線構成的幾個三角形和矩形嗎?在這種情形下,坡度的計算也很簡單,如圖中所示,用高度除以距離即可得到。圖1.1(a)中的山坡分成簡單的3段:上坡、平地、下坡,在每一段中,坡度都將分別是一個常數。
數學中有一個更專業(yè)的詞匯來描述上面例子中的山坡形狀,那就是“函數”。函數是用來描述變量之間的關系的,比如說,在上面的例子中,山坡的高度y隨著離出發(fā)點O的水平距離x而變化,也就是說,y是x的函數。這里,y是函數,x叫作自變量。函數和自變量的關系可以用像圖1.1(a)中所畫的類似曲線來描述,而剛才爬山例子中所說的“坡度”,也有一個數學術語:曲線的斜率。斜率表征了函數在某點的變化快慢,它的計算便需要用到微積分。
當然,如果山坡的形狀很簡單,并不需要用微積分來計算坡度,比如像圖1.1(a)的情況,山坡的每一段都是直線,計算坡度時只需要用這一段山坡高度的變化Δy除以水平距離的變化Δx就行了。從圖1.1(a)的圖形來估計,第一段山路的坡度大約等于1;第二段山路中高度沒有變化,坡度為0;第三段是很陡的下坡路,坡度是負數,絕對值大于1。
但是,如果山坡的形狀比較復雜如圖1.1(b)所示,坡度就不方便用初等數學來計算了。這時候,就需要用到微積分這個銳利的工具。
因此,可以粗略地說,微積分是用來研究函數是如何變化的。
圖1.1 山坡形狀及坡度計算
首先,它可以被用來計算函數變化的斜率,從而考察函數變化的快慢。當函數很復雜,是個任意形狀的曲線時,斜率的計算也變得很復雜,這時候,微積分便被派來解決這種問題。
在日常生活中,復雜的函數形狀比比皆是。由于我們的世界處于不斷的變化和運動之中,一切皆變數,到處都是“變量”,幾乎在每一個領域,都能見到使用各種曲線來描述經濟的發(fā)展、公司的業(yè)績、員工的增長、交通的繁忙 如何深入研究這些變化呢?答案就是微積分。
比如,圖1.2所示的股票市場、溫度變化、心電圖等,這些曲線都可用微積分來分析。
讓我們再回到山坡的例子,解釋如何計算坡度。初等數學只能處理簡單的函數,計算如同圖1.1(a)所示的山坡形狀的坡度。如果碰到變化多端的任意形狀的函數,該如何計算斜率呢?比如,如何計算圖1.1(b)所示的那種復雜山坡的坡度呢?
當然,我們仍然可以沿用圖1.1(a)所示的方法,用高度Δy除以距離Δx來計算,但這時得到的數值只能算是某一段距離Δx中的平均坡度。如果我們改變計算所用的Δx的大小,平均坡度也將隨之變化。例如,當我們要計算圖1.1(c)中某一個點A附近的坡度,
圖1.2 日常生活中的函數
可以采取如下步驟:從A點的x開始,首先增加到x+Δx1,如果y的改變?yōu)棣1,便能算出第一個平均坡度P1=Δy1/Δx1。然后,逐次減小Δx1使之成為Δx2, Δx3, , Δxn,相應地得到y(tǒng)的增量:Δy2, Δy3, , Δyn,最后,分別計算相應的坡度P2, P3, , Pn。P1, P2, P3, , Pn是對應于x的一系列增量Δx1, Δx2, Δx3, , Δxn的平均坡度。如果要更為準確地反映某一“點A”的坡度,就必須將計算的范圍,即Δx取得更小,更靠近這個“點A”。我們如此想象下去,Δx越來越小,那么Δy也會越來越小 最后得到的比值P=Δy/Δx便可以表示“點A”的坡度了。
上述段落中所描述的便是使用微積分來計算斜率的思想。微積分是“微分”和“積分”的統(tǒng)稱。所謂微分的意思就是說,將自變量的變化Δx變得微小又微小,直到“無限小”,而觀察函數y是如何變化的。一般來說,y的變化Δy也會是一個“無限小”的量。但人們關心的是這兩個“無限小”量的比值,即上面例子中所描述的山坡在點A的坡度P,或在一般情形下稱之為曲線在該點的斜率P。我們將這個值P叫作函數y對x在給定點的微分,也叫作y對x的導數。
“無窮小”或“無限小”,是一個有趣又有用的概念。如我們本章開頭所引用的大數學家希爾伯特的名言所說的那樣,數學就是研究“無窮”的科學。希爾伯特還說過:“無窮!再也沒有其他問題如此深刻地打動過人類的心靈。”的確如此,“無窮大”和“無窮小”這兩個神秘而又令人困惑的詞與現代數學,進而與現代科學技術緊緊地聯系在一起。它們深刻地影響了人類的精神,激勵著人類的智力。“無窮小”在人類的科學技術舞臺上變換表演出各種精湛絕美的魔術,也就是我們將要在本章看到的“無窮小”的魔術。
生活中經常碰到的需要求函數的導數的例子是計算運動物體的速度。比如我們開車出外旅游,汽車行駛的距離s便是時間t的函數,汽車的速度v就是距離隨著時間的增長率。速度v是不停變化的,所謂需要計算汽車在某個時刻的“瞬時速度”,也就是計算函數s對時間t在一個點上的導數。
從以上的介紹我們明白了,微分的方法可用來求變量的導數,計算函數的增長率、坡度、速度等。積分又有何用途呢?積分實際上是微分的逆運算,也就是說,從山坡的坡度反過來計算山坡的高度。或者說,知道汽車在所有點的瞬時速度,反過來計算汽車行駛的距離時,就需要用到積分(圖1.3)。對簡單函數,比如圖1.3(a)所示的勻速運動,已知速度求距離很簡單,只需要將速度乘時間即可,對應于圖1.3(a)中陰影矩形的面積。然而,如果速度隨時間不停變化,如圖1.3(b)所示的變速運動,這時候需要計算面積的圖形形狀就不是簡單的矩形了。那么,應該如何來計算一個任意形狀的圖形面積呢?積分的思想就是把這個圖形分成n個狹窄的、寬度為Δx的長條,然后把所有長條的面積加起來,得到Sn。當這些長條的寬度Δx趨近于“無限小”時,Sn趨近的數值就等于曲線下形成的圖形的面積,也就是速度函數的積分值,即距離。
圖1.3 勻速運動和變速運動時的求積分運算
這種將變量的變化趨于“無限小”的想法,也就是所謂的“極限”概念,是微積分的基本思想,F在我們說起“極限”來,好像并不難理解。但是,從產生這種最初的極限思想開始,又將其發(fā)展概括,最后整理歸納為數學語言,人類每一步走過來,都歷經了漫長的歷史過程。下一節(jié),筆者便帶你簡單地回顧極限概念的發(fā)展歷史。
2. 阿基里斯能追上烏龜嗎?
極限這個字眼激發(fā)我們無限的想象,首先讓我們聯想到的是人們常常說的一句話:“挑戰(zhàn)極限。”不過,在數學上,極限有它獨特的含義,表示的是一種數學量無限趨近某個固定數值。極限思想的萌芽階段可以上溯到兩千多年前。希臘哲學家芝諾(Zeno of Elea,公元前490~前430年)曾經提出一個著名的阿基里斯悖論,這就是古希臘極限萌芽意識的典型體現。
阿基里斯是古希臘神話中善跑的英雄人物,參與了特洛伊戰(zhàn)爭,被稱為“希臘第一勇士”。假設他跑步的速度為烏龜的10倍,比如說,阿基里斯每秒鐘跑10m,烏龜每秒鐘跑1m。出發(fā)時,烏龜在他前面100m處。按照我們每個人都具備的常識,阿基里斯很快就能追上并超過烏龜。我們可以簡單地計算一下20s之后阿基里斯和烏龜在哪里?20s之后,阿基里斯跑到了離他出發(fā)點200m的地方,而烏龜呢,只在離它自己出發(fā)點的20m之處,也就是距阿基里斯出發(fā)點的120m之處,阿基里斯顯然早就超過了它(圖1.4)。
但是,從古至今的哲學家們都喜歡狡辯,芝諾說:“不對,阿基里斯永遠都趕不上烏龜!”為什么呢?芝諾說,你看,開始的時候,烏龜超過阿基里斯100m,當阿基里斯跑了100m到了烏龜開始的位置時,烏龜已經向前爬了10m,這時候,烏龜超前阿基里斯10m;然后,我們就可以一直這樣說下去:當阿基里斯又跑了10m后烏龜超前1米;下一時刻,烏龜超前0.1m;再下一刻,烏龜超前0.01m, 0.001m, 0.0001m 不管這個數值變得多么小,烏龜永遠在阿基里斯前面。所以,阿基里斯不可能追上烏龜。
正如柏拉圖所言,芝諾編出這樣的悖論,或許是興之所至而開的小玩笑。芝諾當然知道阿基里斯能夠趕上烏龜,但他的狡辯聽起來也似乎頗有道理,怎樣才能反駁芝諾的悖論呢?
再仔細分析一下這個問題。將阿基里斯開始的位置設為0點,那時烏龜在阿基里斯前面100m,位置=100m。我們可以計算一下在比賽開始(100/9)s之后,阿基里斯及烏龜的位置。阿基里斯跑了(1000/9)m,烏龜跑了(100/9)m,加上原來的100m,烏龜所在的位置=(100/9+100)m=(1000/9)m,與阿基里斯在同一個位置,說明在(100/9)s的時候阿基里斯追上了烏龜。但是,按照悖論的邏輯,將這11s+(1/9)s的時間間隔無限細分,給我們一種好像這段時間永遠也過不完的印象。就好比說,你有1t的時間,過了一半,還有(1/2)t;又過了一半,還有(1/4)t;又過了一半,你還有(1/8)t, (1/16)t,(1/32)t 一直下去,好像這后面的半小時永遠也過不完了,這當然與實際情況不符。事實上,無論你將這后面的半小時分
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