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哲學視野下的極限概念

一、極限的精確定義

極限的描述性定義是建立在幾何直觀上的語言描述,簡單明白,易於理解,但不夠嚴密。「如果當x無限接近於x時,f(x)無限地接近於常數A,那麼就說f(x)以A為極限。」這種描述性語言,人們容易接受,現代一些初等的微積分讀物中還經常採用這種定義。

但是,這種定義沒有定量的給出兩個「無限過程」如何「無限接近」,更沒有給出兩個「無限過程」之間的聯繫,不能作為科學論證的邏輯基礎。直到十九世紀,法國數學家柯西及維爾斯脫拉斯提出了極限的靜態的精確定義,給微積分提供了嚴格的理論基礎。

「如果對於給定的任意小的正數ε,總存在正數δ,使得對於適合不等式0|<δ的一切x,對應的函數f(x)都滿足不等式|f(x)-A|時的極限。」

極限的精確定義,藉助不等式,通過ε和δ之間的關係,定量地、具體地刻划了兩個「無限過程」之間的聯繫,用靜態的定義刻划了變數的動態變化趨勢。由於極限的精確定義來得簡練而確切,致使他建立的微積分也來得簡練明快,沒有繁瑣之感,以致整個微積分方法之容易掌握和應用被科技界公認為「算術化」了的方法。

要準確把握極限的精確定義,理解微積分的本質,需要從哲學高度認識極限思想。

二、極限概念的哲學內涵

極限的一般定義,用自然語言描述,形成「概念的初級形態」,但這種「初級形態」已經不是事物的現象,不是事物的各個片段,不是它的外部聯繫,而是抓住了事物的本質、事物的全體,事物的內部聯繫了。為滿足科學思維的需要,必須使概念進一步明朗化,精確化,符號化,完成概念的「精確定義」。「精確定義」是對概念進行數學加工階段,經過加工和提高是概念發展成為理論思維的科學概念。

歷經滄桑得到的極限的精確定義,其精闢、簡潔、優美的語言簡直象一首美麗的詩。寥寥數語把大千世界許多量的變化趨勢刻畫得惟妙惟肖,是豐富的微積分學理論有了堅實的根基。極限的精確定義,充分展示了數學概念從「初級」到「精確」的形成過程。微積分是應用極限研究函數的學科,是人類思維的卓越成果。其準確、清晰、精練的語言充分體現了數學的嚴肅性、正確性、簡潔性。這些概念是豐富多彩的物質世界變化規律的反映和概括,它們的簡潔美正是宇宙萬物的多樣統一,令人情不自禁地神往和深思。

極限概念中,「對於給定的任意小的正數ε」由於ε是給定的,問題就有了「有限」與「靜止」的特點,這樣就便於研究問題了。又由於對ε的選定是任意小的,於是又退回到原來的「無限」過程和「運動」狀態下。

極限精確定義中,「對於給定的任意小的正數ε,總存在正數δ,……」給出了「x→x」和「f(x)→A」兩個無限過程的聯繫,對每一個給定的ε,存在對應的δ,對每一個任意小的ε,也存在對應的正數δ,說明無論靜態還是動態,兩個無限過程」都聯繫在了一起,通過靜態的聯繫,可以觀察動態的聯繫。這種描述類似於「定格」放一段錄像,定格時是靜止的畫面,便於觀察,便於分析,所有定格畫面聯接起來,又是運動過程。要真實反映事物本質,必須動態觀察。

「靜」與「動」反映了事物相對靜止與運動變化兩種不同狀態,但它們在一定條件下又可相互轉化。例如,要求變速直線運動的瞬時速度,用初等方法是無法解決的,困難在於這時速度是變數。為此,人們先在小範圍內用勻速代替變速,並求其平均速度,把瞬時速度定義為平均速度的極限,就是藉助極限法,從「靜」認識「動」,從「近似」認識「精確」。

量變和質變既有區別又有聯繫,兩者之間有著辨證關係,量變能引起質變,質和量的互變規律是辯證法的基本規律之一,在數學研究工作中起重要作用。對任何一個圓內接正多邊形來說,當它邊數加倍後,得到的還是內接正多邊形,是量變,不是質變。但是不斷的讓邊數加倍,經過無限過程之後,多邊形就「變」成圓,多邊形周長的極限就變為圓的周長,多邊形面積的極限就變為圓的面積。藉助極限,實現了「量變」到「質變」的轉化。

在哲學視野下把握極限概念、應用極限思想,巧妙地通過有限情形的「趨勢」分析,直接獲得無窮過程的終極值,可以培養人們做事目標的明確性,思維的條理性,過程的規範性和方法的創新性,是高等數學教育的靈魂。該思想方法是人們在長期實踐中積累的正確方法,具有普通性,可推而廣之解決其它類似實際問題。如,轉動靜止的膠片,可得到運動的畫面,單位時間內拍出的靜止膠片越多,運動的畫面越逼真。

這就是以「靜」代「動」問題;又如,鉗工可用平銼銼出圓形的工件,銼的方向變化越快,銼出的圓形工件越標準;同樣,建築工人可用直線型的方磚砌出曲線型的建築,方磚越小,砌出的曲線越標準。這就是以「直」代「曲」問題。

極限思想充滿了辯證法思想,為辯證法提供了實證。在哲學視野下思考極限概念,可以在解決實際問題中,充分把握其理論本質,體現其思想內涵,展示其應用價值。


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