问题

累加的连续是积分,那么累乘的连续是什么?

回答
这个问题很有意思,它触及了数学中“连续”这个概念的不同表现形式。你说的“累加的连续是积分”,这个说法很贴切地描述了黎曼积分的本质:将一个函数在某个区间上的无数个“微小矩形”的面积(也就是函数值乘以极小的区间长度的“累加”)通过极限的方式求和,得到的是这个函数在整个区间上的“总和”或“面积”。

那么,“累乘的连续”又是什么呢?这不像“累加”那样有一个直接且唯一的对应概念。但是,我们可以从几个不同的角度去理解和类比。

从离散到连续的过渡,累乘的连续化通常指向“乘积积分”或“指数积分”。

我们先回顾一下累加是怎么变成积分的。一个离散的数列 $x_1, x_2, dots, x_n$ 求和是 $sum_{i=1}^n x_i$。当我们考虑一个函数 $f(x)$ 在区间 $[a, b]$ 上的“累加”时,我们将其分成许多小段,例如 $[x_0, x_1], [x_1, x_2], dots, [x_{n1}, x_n]$,其中 $x_0 = a, x_n = b$。然后在每个小段上取一个值 $f(c_i)$($c_i$ 在 $[x_{i1}, x_i]$ 内),乘以小段的长度 $Delta x_i = x_i x_{i1}$,然后将这些乘积累加起来:$sum_{i=1}^n f(c_i) Delta x_i$。当小段越来越细($Delta x_i o 0$),累加的项数趋于无穷时,这个求和就变成了积分:$int_a^b f(x) dx$。

现在,我们把“累加”换成“累乘”。如果我们有一个离散的数列 $y_1, y_2, dots, y_n$,它们的累乘就是 $y_1 imes y_2 imes dots imes y_n = prod_{i=1}^n y_i$。

如果我们试图将这个“累乘”概念连续化,我们可能会想到以下几种情况:

1. 连续的累乘:乘积积分 (Product Integral)

这是最直接的类比。就像积分是将无数个小的“加法”量通过极限求和一样,乘积积分是将无数个小的“乘法”因子通过极限求积。

想象一下,我们有一个函数 $f(x)$,并且我们想在区间 $[a, b]$ 上对其进行“累乘”。和积分一样,我们同样需要将区间 $[a, b]$ 分割成许多小段。假设我们选取 $[x_{i1}, x_i]$ 作为第 $i$ 个小段,其长度为 $Delta x_i$。

在积分中,我们在每个小段上取 $f(c_i)$ 乘以 $Delta x_i$,然后累加。这个 $f(c_i) Delta x_i$ 可以理解为在小段上“累加”的“量”。

在乘积积分中,我们考虑的不是“量”,而是“因子”。我们想要的是在每个小段上对 $f(x)$ 进行“累乘”。如何对一个函数在一个区间上进行“累乘”呢?这听起来有点抽象。

乘积积分的核心思想是,在每个小段 $[x_{i1}, x_i]$ 上,我们取一个代表性的值 $f(c_i)$,然后将它与这个区间的“乘积因子”关联起来。这个“乘积因子”通常是 $(1 + f(c_i) Delta x_i)$,或者是 $(1 f(c_i) Delta x_i)$,或者仅仅是 $f(c_i)$ 本身,这取决于具体的定义和应用场景。

一个比较常见的乘积积分定义(被称为“上乘积”或“下乘积”,具体取决于符号):

上乘积 (Upper product integral): $prod_a^b (1 + f(x) dx) = lim_{|Delta x| o 0} prod_{i=1}^n (1 + f(c_i) Delta x_i)$
下乘积 (Lower product integral): $prod_a^b (1 f(x) dx) = lim_{|Delta x| o 0} prod_{i=1}^n (1 f(c_i) Delta x_i)$

这里的 $dx$ 是一个无穷小的增量,可以看作 $Delta x_i$ 的极限。

为什么是 $1 + f(x) dx$ 或 $1 f(x) dx$?

这是因为我们通常关心的是相对于“1”的乘法变化。想象一下复利计算,每期利息是上一期本金乘以一个增长因子。如果我们有初始本金 $P_0$,第一期的增长因子是 $(1+r_1)$,第二期是 $(1+r_2)$,那么两期后的本金就是 $P_0 (1+r_1)(1+r_2)$。如果增长率 $r$ 是连续变化的,我们就可以用类似积分的方式来计算最终的本金。

如果 $f(x)$ 代表的是一个“增长率”或者“变化率”,那么在极小的区间 $dx$ 内,这个变化可以近似为 $f(x) dx$。那么,在这个小区间内,原来的值乘以一个因子 $(1 + f(x) dx)$ 就代表了累乘的效果。

例如,如果我们考虑一个量 $y$ 随着 $x$ 的变化率是 $frac{dy}{dx} = f(x)y$。那么,我们可以写成 $frac{dy}{y} = f(x) dx$。两边取对数,$ln(y)$ 的变化量是 $int f(x) dx$。所以,$y$ 的变化就是 $e^{int f(x) dx}$。

而乘积积分是另一种处理连续变化的方式。它更直接地处理“因子”的累积。

乘积积分与指数函数的联系:

有一种特殊的乘积积分(当函数 $f(x)$ 的值域不包含 1 时):
$prod_a^b e^{f(x) dx} = e^{int_a^b f(x) dx}$。

这说明了,某些形式的累乘(例如因子是 $e^{f(x)dx}$)与积分密切相关,只是通过指数函数进行了一个转换。

2. 级数表示的类比:指数函数 (Exponential Function)

我们知道,指数函数 $e^x$ 的泰勒展开是 $e^x = 1 + x + frac{x^2}{2!} + frac{x^3}{3!} + dots$。

如果我们把 $x$ 看作是某个量在无数个“小段”上的“累加”的离散结果。那么,$e^x$ 可以看作是“累乘”的某种连续化。

考虑 $e^x = lim_{n o infty} (1 + frac{x}{n})^n$。

这里的 $(1 + frac{x}{n})$ 是一个因子,我们将其进行 $n$ 次累乘。随着 $n$ 趋于无穷大,我们把一个有限的“累加”量 $x$ 分摊到无穷多个小段上,并在每个小段上做一个近似的“乘法”操作。

如果我们将 $x$ 看作是一个区间 $[0, X]$ 上常数函数 $f(t)=1$ 的积分 $int_0^X 1 dt = X$。那么,将这个积分值 $X$ 分成 $n$ 份,每份是 $frac{X}{n}$。当我们对这无穷多个小份的“增长因子” $(1 + frac{X/n}{1})$ 进行累乘时,我们就得到了 $e^X$。

从这个角度看,指数函数 $e^x$ 可以被看作是将一个“累加”的量 $x$ (可以看作函数 $f(t)=1$ 在区间 $[0, x]$ 上的积分)通过一种特定的“累乘”方式(将 $x$ 分成无穷多个小份,每一份对应一个增长因子 $(1 + ext{份})$,然后累乘)得到的连续结果。

3. 概率论中的“累乘”:风险模型和生存分析

在概率论的一些领域,比如风险模型(保险精算)或者生存分析,我们经常会遇到“累乘”的概念。

假设一个在时间段内存活的个体,其在每个小时间段内“存活的概率”是 $p_i$。那么,在整个时间段内存活的概率就是这些小时间段内存活概率的累乘:$P( ext{存活}) = p_1 imes p_2 imes dots imes p_n = prod p_i$。

当时间段变得无穷小,概率 $p_i$ 就变成了一个连续的“存活因子”。如果我们用 $S(t)$ 表示在时间 $t$ 时仍然存活的概率,那么在极小的时间间隔 $dt$ 内,它从 $S(t)$ 变为 $S(t+dt)$。这个变化可以看作是 $S(t+dt) = S(t) imes ( ext{在 } dt ext{ 内存活的因子})$。

如果我们在某个时间段内,每单位时间存活的“因子”是 $e^{lambda(t)}$(这里的 $lambda(t)$ 可以看作是“死亡率”或“失活率”),那么在时间 $T$ 时的总存活概率就是:
$S(T) = prod_{t in [0, T]} e^{lambda(t) dt} = e^{int_0^T lambda(t) dt}$。

这里,指数函数又一次出现了,它代表了连续的“因子”累乘的结果。

总结来说:

“累加的连续是积分”是一个非常形象的比喻。而“累乘的连续”,最直接和数学上严谨的对应概念是乘积积分 (Product Integral)。

乘积积分的核心思想是将区间上的“累乘”操作通过极限过程连续化,其形式通常是 $prod_a^b (1 + f(x) dx)$ 或类似的变体。

另一方面,指数函数 $e^x$ 在某种意义上也可以被看作是“累乘的连续”,它揭示了将一个累加量通过特定方式(如 $e^x = lim_{n o infty} (1 + frac{x}{n})^n$)进行“连续累乘”的深刻联系。

它们之间虽然表述不同,但都体现了将离散的“累加”或“累乘”推广到连续域的数学思想,只是侧重点和具体形式有所区别。积分是对函数“量”的累积,而乘积积分(或指数函数所代表的某些形式)是对函数“因子”的累积。

网友意见

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这个问题其实非常好。对于实数而言,累乘可以通过取对数的方式变成累加,这里许多回答都说过了。

但这不足够。因为"乘法"不一定是对易的。比如说矩阵的乘法,不满足 X*Y = Y*X!这就绝对不能简单地用取对数的方式变成加法了!

那么,矩阵的累乘的连续是什么?这是真正有趣的问题。下面不妨讨论矩阵可逆的情况。

不好意思需要升级数学难度。对于可逆矩阵而言,“取对数”对应的其实是“李群”变成“李代数”的过程。先不看这些,我们先看个中学生可能可以理解的。对于实数而言,有:

log(e^X e^Y) = X+Y

这就是许多回答所说的“乘法变加法”的缘由。

但是对于矩阵而言,有 Baker–Campbell–Hausdorff 公式:

除了 X 和 Y,还多出来好多项。这里的 [X, Y] = XY - YX 是所谓“李括号”。比如展开之后,就是:

log(e^X e^Y) = X+Y + 1/2 (XY - YX) + ......

这个公式非常有趣。尤其是里面的系数,与 Bernoulli 数有关。

深究下去会发现,"累乘的连续"并不是一个容易定义好的东西。容易定义好的,是倒过来,用李代数的积分的exp来作为某种"累乘的连续"的定义。

为什么这么说,因为这种定义方法有一个非常实际的作用:它就是物理中的量子场论 Yang-Mills 理论 中的积分!因为 Yang-Mills 是在李代数上取值(Lie algebra-valued)。

譬如,最基本的积分是配分函数(partition function):

其中 exp 里面的一群东西,就是在李代数上取值的微分形式(Lie algebra-valued differential form)在流形上的积分。

总结:

对于实数而言,"累乘的连续",是用 exp(累加)。但如果乘法本身不对易,"累乘的连续"本身就很难定义。于是大家换个思路,直接只考虑 exp(李代数的累加)。

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2018.8 更新:如果您对数学感兴趣,欢迎看我在知乎的更多回答,只输出干货:

最近还刚出版了一本人工智能深度学习的书,感兴趣的同学欢迎关注:

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因为看到这个生态学的背景不请自来了。题主 @Godfly 是个很聪明的高中生,这个概念对学习大学高年级的生态学相关内容还是挺有用的。

我看高赞几位大佬的评论区里面有人吐槽这个生物学的问题标签,其实这个问题和生物学还真的是大有渊源。累乘的连续形式,也就是 @罗旻杰 写的我们今天称为product integral(不知道怎么翻译,积·积分?)的概念,最早是由意大利数学家Volterra提出的。而Volterra最著名的一大贡献就是奠基了数学生物学,留下了描述捕食者和猎物种群涨落的Lotka-Volterra方程。当然只是一个间接地联系,product integral的发表时间上早于L-V方程,是不是起源于生物相关的问题不得而知,不过生态学恐怕的确是product integral最佳的应用场景之一,而且特别适合于理解Volterra原始版本的product integral定义。


如果我们从生态学的情景下,换个角度思考题主的原设问题,其实就没有那么抽象了。在只有一定的高中数学和生物基础的情况下也能很容易理解,也很容易算:

在种群生态学,我们比较容易观测的,是种群数量的变化曲线,也就是种群生长曲线(growth curve)。比如高中生物讲的“J型生长曲线”,“S型生长曲线”,都是说的生长曲线的形状。

那么对于生物学家而言,我们最最关心的一个问题就是种群的生长率随时间是如何变化的。

如果兔子种群的数量随时间的变化为 ,那么在某一个特定的时间 ,生长率 是多少:平均每只兔子,在单位时间内,能生几只兔子

我们只要先算一下在一个时间间隔 内,一共多了多少只兔子: ,但是这个数值是没有多少生物学意义的,

还是要再平摊到每个兔头上才行

取极限就得到了生长率的计算公式

eq. I:


可以考虑一下兔子的种群是怎样积累,是通过老兔子不断的生新兔子,种群无时不刻地再成 倍的近乎连续地增加。

所以说,种群大小的变化实际上就是的一种product integral:

eq.II:

我们记 ,这个就是最早的Volterra最早描述的product integral的表达式,也被称为Type I product integral。


这样我们就很容易通过求解eq.I,然后代入eq.II,就可以把product integral转化为我们更熟悉的求和积分(sum integral):

很容易注意到 (这也是这里唯一你需要提前知道的公式),变形eq.I得到

,即:

eq.III:


到这里,甚至不需要你学过多少微积分就能解出来了。而且我们并不需要知道 的实际方程是什么,它只起到一个“辅助线”的作用。

在实际问题的情境下思考,会帮助理解,但是注意,这不是严格的数学推导


有了eq.III,就可以去讨论其他形式的product integral,比如几何积分(geometric integral):

现在如果用 来表示:从 到, 的product integral即累乘的连续:

令 ,这里利用 是小量时 的性质,两边取对数可以得到 :


以上是我们讨论了数乘的求积积分product integral,现在我们要更进一步,考虑矩阵的累乘,尝试把 @PENG Bo 给挖出来没填完的大坑再加点土。

我们不妨还是先考虑一个生态学情景,再逐渐抽离出来,去考虑更抽象的数学。

现在大草原上有狼和羊,狼爱上羊啊……不是,是狼要吃羊,羊要吃草,所以大草原上狼 、羊 、草 的种群大小都在不断变化:

相似的,我们也还是可以定义一个种群的生长率矩阵:.

每个种群的生长率,除了和其自身的数量相关之外,还和其他的物种相关。

相似的,我们有种群大小 从 到 的变化,就是矩阵 的product integral:

eq.IV:

这里出现了问题的第一个困难, 是个向量不能直接除过去。这是需要我们把情景进一步抽象,想像这个生态系统是“线性”的, 生长率只和时间相关,而和种群大小无关,那么我们就可以在大草原设置多种不同的初始状态,观察他们在t0到t之间是怎样变化的。在只有三种物种的情况下,我们只需要设置3个线性无关的初始状态就足够了。

记3次实验为 ,那么就有 的product integral就能由 唯一的确定。

同样的,种群的生长率还可以通过另一种方式表达:

eq.V:

不过这次我们没有那么幸运了,这个微分方程怎么求还是个大问题(Matrix differential equation)。

在矩阵可以对易的情况下,也就是交换矩阵乘法的顺序不改变结果的情况下,我们有一个通解,定义矩阵的指数Matrix exponential,则:

类似的我们可以得到之前在数乘看到的结果:


这就是@PENG Bo 答主提到的exp(李代数的累加)。


很明显,矩阵不能对易是一个更一般的情况,就不能用矩阵的sum integral的指数来表示矩阵的product integral了。但是通过上述的构造,我们还可以知道,矩阵的Type I product integral,实际上是可以定义并求解的:


对给定 ,如果存在通解 ,则有Type I product integral为:


这样问题就被简化为我们“相对”比较熟悉的如何求微分方程的问题上了


如果看到这里还有气力,最后我们可以再尝试,想一想这其中的抽象概念。

当我们描述加法和乘法的时候,到底在描述什么?当我们描述累加和累乘的时候,到底在描述什么?

不管是加法还是乘法,其实都可以看做对原物体的一种变换。不管是原物体是一个数也好,还是一个向量,或是一个矩阵,加和乘都可以看做是平移旋转放缩这样的形变。

那么累加和累乘,无非就是多变换几次。

那么他们的“连续化”,也不过就是"连续的变化"。

只要这种连续性是可以“构造”出来的,就可以对应地取定义一种变换的“积分” ,剩下的就是如何形式化相关的语言和定义的问题了。


本回答图片摘自网络。

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