18世纪,许多数学家尝试将几何或代数而非极限作为微积分的基础,都以失败告终。达朗贝尔则坚持将极限作为微积分的基础,给出定义:“一个量是另一个量的极限,假如第二个量比任意给定的值更为接近第一个量。”该定义虽然接近极限的正确定义,但仍然无法摆脱对几何的依赖,因此仍未被接受。
18世纪末,贝尔纳·波尔查诺首次用极限给出了函数的某一区间上连续的定义,他是成功地应用极限理论的第一人,但并没有受到学者们的重视,对微积分没有起决定性的影响。
直到19世纪,柯西在前人的基础上,较完整地阐述了极限概念及其理论。他在《分析教程》中给出极限的定义:“若代表某变量的一串数值无限地趋向于某一固定数值时,则该固定值称为这一串数值的极限。特别的,当一个变量的数值(绝对值)无限地减小使之收敛到极限0,就说这个变量成为无穷小。”[6]同时他引入“ ”表示极限,用“ ”表示任意小的差。柯西成功地描述了无穷小量的概念,他把无穷小量看作以0为极限的变量,它在变化过程中不为0但趋势是变为0,解决了牛顿和莱布尼兹对无穷小量解释不清的问题。柯西致力于将极限概念脱离以往的几何观念,但他的叙述中还包含“无限地趋向”、“无限地减小”等描述性语言,因此还没有达到完全的严密性。
到了1872年,相对于柯西对极限的定性描述,威尔斯特拉斯用算术方式给出了严密的定量描述,即“ ”语言,从此极限概念完全摆脱了几何的直观。“如果给定任何一个正数 ,都存在一个正数 ,使得对于区间 内的所有的 都有 ,则称 在 处相连;若 ,则说 在 处有极限 ,即 。”在特殊函数—数列极限的定义中采用“ ”语言:“对任意 ,总存在自然数 ,使当 时,不等式 恒成立,则 。”威尔斯特拉斯利用 与 间的关系,仅通过比较数的关系得出极限的定义,相较于用“趋向”等词,该描述更加有数学色彩,也更加严密。
二 极限思想与方法在微积分中的作用与地位
从上文提到的极限思想发展史可知,极限概念是微积分学的基础。微积分学有三大分支:微分学、积分学、级数,而其中包含的三个基本定义:连续、可导和可积,都是通过极限的形式定义的。极限就像一根线,将组成微积分学的不同概念连接起来。文献综述
1 极限与连续
18世纪,数学家对连续函数的认识还停留在几何层面上,直到19世纪,柯西以及威尔斯特拉斯严格定义极限后,才赋予连续函数准确的定义。
连续,从字面上很好理解,我们不难举出连续或不连续函数的例子。如 在每一点都连续, 在每个整数点都不连续等等。但光从图象判断函数是否连续并不是一个好办法,为了对连续函数有更深层次的理解和研究,我们需要一个明确的定义。由图象可以发现,函数 在 点连续指的是函数 在 点的极限存在,且等于 ,它将极限与函数值相联系。
若函数 在 点的附近包括本身有定义,且
,
则称 在 点连续,称 点是 的连续点。
该定义也可用 语言表示:对 ,总 ,使当 时,有
。
2 极限与导数
18世纪,欧洲进入资本zhuyi萌芽时期,同时产生了大量无法用初等数学解决的生产问题。为了解决力学中求速度与加速度问题以及求曲线切线问题,牛顿和莱布尼兹建立了导数概念。