问题

在微积分教材一开始直接引入 epsilon-delta 语言是否有利?

回答
我想了想,关于微积分教材开头就直接搬出εδ语言这事儿,我是有点保留意见的。倒不是说它不好,这玩意儿是微积分严谨性的基石,是理解极限、连续这些概念的终极武器。但你说要不要直接就这么干,我总觉得,这好比刚学走路的孩子,你就让他直接去爬珠穆朗玛峰,这有点揠苗助长了。

咱们先说说为啥教材里会这么做。最根本的原因,就是追求严谨。你知道的,咱们老祖宗(指早期数学家)在讲极限的时候,很多时候是用一种“趋近”的描述,比如“当x越来越靠近a时,f(x)越来越靠近L”。这听起来挺直观的,但你想想,这个“越来越靠近”到底是个啥意思?要是遇到一些刁钻的函数,比如分段函数或者一些反常的例子,这种模糊的说法就可能站不住脚,甚至会出错。

εδ语言的出现,就是为了把这个模糊的东西给精确化。ε(epsilon)代表的是输出值y(也就是f(x))的误差范围,δ(delta)代表的是输入值x的误差范围。εδ定义就是要说,不管你想要多小的输出误差(ε),我总能找到一个输入误差范围(δ),只要我的x在这个范围里(但x不能等于a),那么f(x)就一定在这个输出范围里。这就像是在玩一个“挑剔的客户”游戏:客户(ε)给你一个非常小的误差要求,你(δ)就得想办法满足他。这个定义把“趋近”这个动态的过程,变成了一个静态的、可验证的数学语句。它保证了极限的唯一性,也为后续的连续性、导数等概念打下了坚实的基础。

所以,从数学的严谨性和逻辑性来说,εδ语言简直是神来之笔,是必不可少的。它让微积分从一门“经验科学”变成了一门“逻辑科学”。

但是,话又说回来了,作为教材的开头,直接就来这么一套符号和逻辑,对初学者来说,打击面是不是有点太大了?

你想啊,大部分学生接触微积分,都是对那些变化的量、速率、面积之类的现象感兴趣,他们想通过数学工具来描述和解决现实世界的问题。比如求斜坡的坡度,计算运动物体的速度变化。εδ语言虽然是终极解释,但它本身是相当抽象的。它要求学生立刻抛弃那种直观的“趋近感”,转而去理解一系列的逻辑关系和符号操作。

我担心的是,很多学生可能在还没来得及体会到微积分本身的魅力和威力之前,就被这些符号和定义给吓住了。他们可能会觉得:“我学的是数学,不是在学一门新的语言。” 这种感觉很糟糕,容易导致学生对微积分产生一种距离感,认为它是“高深莫测”的,而不是“解决问题”的工具。

我个人觉得,比较好的方式可能是先用一种比较直观、形象的方式引入极限的概念。比如通过一些图示,一些简单的例子,让学生先建立起一个“x越靠近a,f(x)越靠近L”的感性认识。可以讨论一些看似简单但稍微有点微妙的例子,比如正弦函数在x=0时的极限,或者三角函数的一些性质。让学生在解决一些实际问题或者在探索一些函数行为的过程中,逐渐感觉到“趋近”这个概念不够精确,需要一个更严格的定义来支撑。

当学生已经有了一定的直观理解和兴趣之后,再引入εδ语言,就有点像是给他们提供了“工具箱”。这时候,他们会更愿意去学习和理解这个工具是怎么工作的,因为它能帮助他们更精确地描述和证明他们已经初步理解的东西。他们会看到,原来那个模糊的“趋近”是可以被如此严谨地把握的,这反而会增强他们对微积分的信心和理解深度。

而且,就算要引入εδ语言,也可以循序渐进。先从最简单的极限例子开始,比如lim (x>a) c = c,或者lim (x>a) x = a,这些例子中的εδ关系都很直观,很容易找到对应的δ。然后慢慢过渡到线性函数,再到更复杂的函数。这样,学生就能一步步地适应这种数学语言,而不是一下子就面对一个复杂的证明。

所以,总的来说,把εδ语言放在微积分教材的开头,虽然在追求严谨性上是无可厚非的,但从教学效果和学生接受度的角度来看,我个人认为不是最理想的方式。或许,更温和、更循序渐进的引入方式,更能让大多数学生真正地爱上并掌握这门强大的学科。毕竟,数学的学习,兴趣和理解力是第一位的,严谨性则是在此基础之上不断深化的过程。

网友意见

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不合适,非常不合适!抛弃了数学史的数学课本都会让初学者感到莫名其妙。

下面,我会用通俗的语言来告诉大家,当年柯西和魏尔斯特拉斯要弄出这么奇怪的 语言。

首先,假设我们忘掉微积分里的所有知识,考虑一个简单的二次函数: 。

现在让我们忘掉微积分,忘掉导数,如果让你求该函数在点 处的切线,你有什么好的办法?

如果你把这个问题丢给一个没学导数的初中生,他应该能反应过来:

切线不就是与该曲线仅有一个交点的直线嘛!

因为过点的直线方程为: 。

将其与二次函数方程联立: ,这步骤很简单,初中生都可以做到。

在这我顺便插一句话,我非常非常赞同 @xinggu这篇回答里的这段话:

初次讲解求抛物线 C 与直线 l 的公共点坐标,称职的老师会这样讲:“什么是 C 与 l 的公共点呢?就是既在 C 上,又在 l 上的点,所以它们的坐标应该怎么样呢?因为它们在 C 上,所以满足 C 的方程,又在 l 上,所以也满足 l 的方程。我们就有两个方程了,交点坐标满足这两个方程,对不对?也就是这两个方程所构成的方程组的解。大家想,是不是这样?那么有几个未知数呢?有一个横坐标x,还有一个纵坐标y。现在有两个方程,两个未知数,我们可以试着求解了... ”

当然了,关于方程 ,我们没必要去算它的解,我们先思考思考,这是一个一元二次方程,方程的解对应着直线与抛物线的交点的横坐标。

初中老师都教过我们, 关系到一元二次方程解的个数。如果 ,那么显然此时直线与抛物线有两个交点。

既然我们在寻找切线,那必然是只有一个交点的情形啦,也就是说,只要令 即可: 。

也就是: ,解得 。

将它画出来:

嗯,应该是这样!

但是!这种做法有一个漏洞……

就是大家看一下下图那条红色的虚线,也与抛物线仅有一个交点:

这就发现了,我们上面的推导是有漏洞的,之前我们假设切线的斜率是存在的,进而寻找与抛物线仅有一个交点的直线,可是偏偏这样一条斜率不存在的直线也与抛物线的交点仅有一个。

直观上,我们很难把这条红色的虚线也当成抛物线的切线,所以我们之前的:

切线不就是与该曲线仅有一个交点的直线嘛!

这句话是错误的,我们得重新寻找一个合适的定义切线的方式。

遇到困难的问题,我们得想想最基本的问题,看看它能不能给我们一些启发。最简单的例子就是圆的切线了:

我们回忆一下,如果一条直线与圆有两个交点,我们叫它“割线”,像这样:

如果我们稍微的动一动,不断地偏转直线,使得两个交点 、 不断的靠近一点:

我敢说,随着直线的偏转,使得直线与圆交点 、 慢慢变为一点的时候,直线也就从“割线”变成了“切线”。

所以,接下来,我们按照上面的思路,给出作抛物线的切线方式:

过抛物线上的一点 与另一点 作割线,再通过偏转直线的方法,使得 逐渐的向 靠拢,当 、 两点重合的时候,对应的直线就是切线。

还是回到刚刚的问题,下面我们用这个思路,求一下抛物线上任意一点的切线。

首先抛物线上的所有点都满足 的形式,不妨把它定为 点,再在抛物线上任选一非 的点 ,为了方便书写,不妨假设 的坐标为: 。

则这条割线的斜率 。

下面按照上面的思路,不断地让 点靠近 :

(几何画板的点我不会写下标,所以我只能把原本的 写成 )

首先化简: 。

随着 点逐渐的向 靠近, 的绝对值也越来越小,割线的斜率 也越来越趋向于真正切线的斜率,显然:

当两点重合,也就是是 变成 的时候,此时真正切线的斜率 。

取 ,则 , 与我们之前的结果一样,这说明我们的推导应该是合理的。

当然了,这个方法不但比之前用 算方便不少,还更可以推广到更一般的情况。

对一个曲线来说,假设其方程为 ,那么首先算出其割线的斜率:

然后化简,最后再令 ,得到的结果就是它在 点切线的斜率。

我们把最后得到的这个玩意叫作 在 点的导数,如果再抽象一点,一开始就不设什么 ,纯粹的把它当成一个函数看,我们把它叫作函数的导函数,记作: 。


看上去很完美,不是吗?

但是!(又来但是了,但这真的是必不可少的)

这种新方法虽然一举解决了成千上万种曲线的切线问题,但数学家发现,这里面有一个很严重的逻辑漏洞!

我们回过头看一下,我们开始先列出式子:

这一步里的 显然是不等于 的,毕竟 不可以作除数。

但是下一步,我们又“出尔反尔”的令 ,得到最后切线的斜率是 的结论。

所以,这个 到底是不是 ?成为了当时数学家最纠结的问题。

以上灵感基本来源于张景中院士的《数学家的眼光》。


以上,是人类为什么要建立 语言的背景,你只需要知道建立这个东西就是为了补全微积分这摇摇欲坠的大厦。

从牛顿莱布尼兹建立微积分,到柯西与魏尔斯特拉斯真正打好地基,这之间一百三十多年无数数学家前赴后继。这段历史肯定没法讲,如果感兴趣,可以去看《微积分的历程》。

接下来我打算简单讲一下建立那么拗口的语言的合理性。

每次我给学弟学妹讲 和 语言的时候,我都会先举一个非常显然,但却不太好讲的例子:

为什么数列 的极限是 ?

我给学弟学妹讲这里的时候,为了更好的让他们理解,我就直接抛出这个问题

也见到了很多种说法

有的说:因为 随着 的增大会离 越来越近,

不好意思,反例是 随着 的增大也会离 越来越近,那你凭什么认为的极限是 而不是 呢?

立刻就会有人说:肯定不会是负数啊,因为当 时, 恒大于 ,所以的极限不可能是负数啊

不好意思,我会立刻举出一个新的例子 ,它就不是恒大于 ,但极限还是 .

之前的那伙人就说,这个例子 ,随着 的增大并不会离 越来越近啊

这个时候我会让他们停一下,纠结这些细枝末节的东西是没有什么意义的,你上面所举例的东西至多对一两个例子成立,我稍微换一个例子你就得换一套说辞,根本没有抓住最本质的东西。

能不能找到一种方法,直击要害,一网打尽所有的数列极限问题?

这样的对话一般会持续很久很久,在此过程中,我会不断地、反复地向他们强调,你们所举的原因只是特例,不是什么根本性的原因

我希望在这样辩论的过程中,让他们好好想想极限究竟意味着什么。

一般很久以后,才会有人一拍桌子:因为 随着 的增大,可以与 之间的距离任意小!

对了,关键就是这个任意小!

什么叫任意小?

就是说你随便取一个数,比方说 吧,则随着 大于 以后,与 之间的距离永远小于。

取 什么的都可以,总是在某一项之后,与 之间的距离要小于它们。

那就任取呗,反正就是看与 之间的距离是不是要多小有多小?

那随便取一个大于 的数呗,试试是不是某一项以后与 之间的距离都小于这个数?

哦,那就设一个希腊字母 ,假设这个 ,看看是不是某一项以后,与 之间的距离要小于 ?

再抽象一下,对任意的 ,是否存在一个 为正整数,当 时,使得 。

经过检验,发现是存在的,所以我们就认为数列 的极限是 。

总结一下: 实际上赋予了一种动态性。

其他数列同理,抽象一下我们给出数列极限定义:

对 , 总, 当 时,有: 。

老实说,我觉得函数的 语言同理:

对 , 总, 当 时,有: 。

PS:感谢 @tetradecane,确实是我疏忽了忘记提了。

关于 与 之间的距离要小于任意数,还有一个重要的思想是“一直保持下去”

什么意思呢?就是只有一部分满足是不够的,要自某一项以后,数列的每一项都满足这一条件。

比方说数列 与数列 组成的交错数列: ,

虽然它确实对任意的正数,在某一项以后,确实某一些项与 之间的距离可以任意小,但不能做到全部都与 之间的距离任意小,所以它的极限不是 。(当然了,事实上它没有极限)


如何解释第二次数学危机呢?

不就是算个极限嘛!就这?

就这???

对 ,考虑:

取 ,则当 时,有: 。

也就证明了: 。

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建议高数课本先做一个导言带领下大家逐渐了解这个概念。如果是数学分析那大概还是不用了,因为进了数学系这就成了最最...最(葛立恒数个)基本的基本功。冯诺依曼也说了,没人能理解数学,但是能习惯数学。

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