零的历史-第27章

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让挥薪崧垡裁挥兄っ髡飧鑫侍狻Ａ秸叨际撬�的老师的杰作，约翰·柏努利（Johann　Bernoulli），他显然甘心拿侯爵的利而放弃名。因为说到“洛比达法则”比“柏努利法则”多无限的小乐趣，我怀疑公平曾经充分给予这个著名胜利的作者。　　　　
　　　　记住，　的投降是有条件的：它仅仅是当斜率存在的情况下，它们的比率才有意义。否则，在我们成熟的数字世界，用零去除永远不可能。这不是把我们带回零本身是有问题的时代——除非你生活在宾夕法尼亚州（Pennsylvania）。因为在1998年五月，中心县的委员们投票来决定废除一项关于全部用零评估的所有的税收。因为这让当地学校伙食痛苦地缺少收入，他们通过他们的律师控告县政府，声称零不是一个值。他的证据是零让县里的估税员试图在他的便携计算器上用零去除。只有表示“错误”的“E”出现。　　　　
　　　　对于我们余下的人，零是——或者有——一个值。不管它是否是过程胜于目标，它是我们通过这些篇章一直追求的《难捉摸的她》。但是你能用零计算吗？这一定相当难以捉摸，因为科学作家迪克·特雷西（Dick　Teresi）最近访问麻萨诸塞　（Massachusetts）技术学院，询问数学系人员的正是这个问题。当这个问题在走廊中回响时，他一直手持电话，直到最后回话说没有人能够真正明确地回答；总之，他们仅仅对1972年以后发明的数字感兴趣，因此他最好访问哈佛大学。　　　　
　　　　另外一个问题，你回忆一下，已经等待革命性的东西来回答它：00是0还是1或者是什么的问题。从我们的新观点出发，我们能够巧妙地归纳出什么导致我们的两个猜想。首先我们看这个极限，当x缩小到0，就是求x0的极限，我们相信答案必定是1：　　　　
　　　　　　　　　
　　　　更准确地说，缩小是从大数字到小数字：当x接近0时，我们从右边取极限，并且我们用书写表示：x→0＋。因此我们的结论是　　　　
　　　　　　　　　
　　　　我们求0x的极限（这次也是当x从右边接近0），并且这次，通过明智的例证，它应该是0：　　　　
　　　　　　　　　　
　　　　表面上的每一个方法似乎同样正确，但是至少一个必须是错误的。　　　　
　　　　也许差别存在于结构的不对称：一个底数是变量，另一个是指数是变量。为什么不让二者同时变化，并在x从右边接近0时取xx的极限呢？通过灵活的应用——我们应该称它为什么，柏努利法则？——我们找到了一个明确的答案：　　　　
　　　　　　　！　　　　
　　　　代替完全利用灵活方法，让我展示函数f（x）=xx的一个图像：　　　　
　　　　　　　　　
　　　　f（x）=xx　　　　
　　　　当沿x轴从右边向0移动时，你可以充分肯定曲线从凹处升起并接近1。　　　　
　　　　但是还要保持镇静，不要忘形。你记得几页前我说一个极限必须从任一方向逼近才有意义——而在这里我们看起来在我描述的悬崖处确实有一个上升的斜坡突然结束。　　　　
　　　　哎，你说，只要完成y轴左边的图像，将负值代入xx，并通过它们向x=0接近。我希望我能这么做。我们在做的过程中遇到的四个截然不同的现象强烈抵触使这个想法不可能实现。第一，当采取我们的方法时我们必须找不到间隔：我们的图像必须是连续的。但是（第二和第三）当你试图代入x=﹣1/2时，看到发生了什么，例如，代入函数f（x）=xx。　意思就是（当我们正在款待天使时看到的）：　　　　
　　　　　　　　　
　　　　　因为指数1/2代表取平方根，并且它的负号迫使我们将结果放在分母位置。如果它是实数，它在那里没有妨碍——但是　是什么？它是虚数；而这第四个现象意味着我们必须停止一下，并且我们被从实数甩到更宽广更复杂的，也包含虚数的坐标平面内：那些数，象　用字母i表示，你在实数中找不到它，但是你可以想象它在自己的一个轴上并垂直于实数轴。　　　　
　　　　　　　　　
　　　　综合坐标平面　　　　
　　　　在这里我们可以描绘任何实数加虚数的组合，例如3＋4i，用一个平面上合适的纵横坐标表示（在这个例子中，（3，4）——象下一个图表中显示的那样）。　　　　
　　　　我们想通过慢慢地朝0滑动找出00是什么。但是既然我们是在一个平面而不是一条直　　　　
　　　　　　　　　
　　　　复合坐标平面上的点3＋4i　　　　
　　　　线上，我们必须确信我们能够从任何方向接近00。到目前为止我们已经命名我们的函数f（x）=xx，因为变量x表示任意实数。为了强调这些“复数”由实数（x）和虚数（yi）部分组成，让我们改变变量的名称为z，这里的z=x＋yi。我们想看看当z接近0时发生在f（z）=zz的是什么？——也就是说，当x和y都接近0。　　　　
　　　　发生的事情极其奇怪。无论我们沿那条路线接近（0，0），函数的值陷于混乱。它们随即显示每一个你能叫出的数字，我们越接近就越来越混乱。它们从来不稳定，从来不集中于任何特定的值（不及1）。对于zz在（0，0）点的极限是世界上最坏的噩梦。说它在那里无论取什么都没有值是一个巨大的掩饰。　　　　
　　　　我们可以继续至击败它，但是我们将挥舞所有胜利的旗帜继续下去。关于它们其中之一的设计是在实数平面的基础上，左边象限的这些点的一个模式，在这些象限，代入xx的是负数，我们确实得到实数的结果。象你想象的那样，这种情况很复杂：正象﹣2是﹣8的一个立方根，当x是一个有奇数分母的负有理数时，我们会到处发现实数结果。然而，对于任　　　　
　　　　　　　　　
　　　　f（x）=xx的完整函数图象　　　　
　　　　何的输入，我们都会得到复式的结果——例如平方根、立方根、四次方根甚至更多，在实数结果中处处存在间隙。但是最终我们可以这样说：对于这些负的输入值，当函数的图像一圈又一圈的缠绕，它缠绕的结果看起来象一个纺锤——因此在所有这些混乱中有一些规律。


第三部分　费尽周折第30节　无穷小（4）

　　　　f（x）=xx的纺锤　　　　
　　　　又一面旗帜在从熟悉的方向刮来的微风中飘扬：数学中一个抑制不住的迫切要求产生了。如果函数f（x）=xx有如此有趣的病理，一个函数　怎么样，或者另一个　怎么样呢，或者越来越长的变量的变量的变量的……的指数，直到你发现自己爬到就是混乱的塔顶？答案（它来自洛必达法则的重复应用）是具有讽刺意味的：当x从右边趋向0时，如果在塔顶x的数量是奇数，极限是0。如果是偶数，极限是1。　　　　
　　　　当然这对00异常兴奋的魔鬼来说，这算不了什么：我们尽力企盼，我们尽力去做，世界的结构对于它的具体化来说太令人惊讶了。但是思维有它自己的奇迹，并从我们进退两难的局面中找到方法。如果你看任何一个多项式，你看到它以一个常数项结束：　　　　
　　　　17x3－8x＋3　　　　
　　　　或者　　　　
　　　　102x19－14x8＋5x5－7，　　　　
　　　　或者甚至是　　　　
　　　　x2＋x　　　　
　　　　在它最后有一个默认的0常数项。　　　　
　　　　为了使计算更方便，那么（当我们将多项式相乘时特别有用）排列这里的每一项，将x的幂从最大逐渐递减；并在每一项中显示变量。在我们第一个例子中x2在哪里呢？暗含在那里，零又一次成为救世的化身，就是作为系数。如果我们完整的写出它就是：　　　　
　　　　17x3＋0x2－8x＋3　　　　
　　　　而在每一个多项式的最后一项中变量在哪里呢？再一次，但是（一致地随着幂的递减）使用零次幂，因为我们知道x0=1。因此再次重新书写我们的例子就是：　　　　
　　　　17x3＋0x2－8x＋3x0　　　　
　　　　最后一项无疑是3，并且必须保留x的任何值——甚至它应该带上值0。因此，将常数看作x0的系数，并规定无论x是什么，x2=1：甚至当x=0的时候，00=1。　　　　
　　　　“规定”，是为了推广这个符号，并且应用：与将指数从自然数引申到0、负数和分数时候相比，我们有更多的余地，这时我们发现我们不安起来。如果他们必须适合旧规定，那么，唯一的途径就是我们必须定义新的用法。现在，看起来在符号00中两条路线的收敛性没有实质的意义，并且我们可以在语法或美学的条件下为它选择其中一个。　　　　
　　　　这挫伤了象莱布尼兹（对它的符号如此细心）那些人怀有的希望，从形式化产生的新的语法结构应该符合原来的语言习惯。显然符号和讨论对象要能更灵活地结合，并且我们要在需要和惯例之间取得一致。　　　　
　　　　胜利之后就是一个有益的失败。但是我们现在得到零在发展我们的知识时的最大成功。感谢微积分，在我们使用任何约定时，零处于支配地位并且用最少的努力完成。同样，在理解事物的运动时零也处于支配地位，因为虽然这也许不是所有可能语言中最好的那个，但在结构上它是最优的：在特定的环境中是最好的。　　　　
　　　　为什么说零是关键？因为“世界上什么也没有发生，它的意思不是某一最大值或最小值的意思”这是牛顿之后数十年最伟大的数学家利昂哈德·欧拉（Leonhard　Euler）指出的。阳光的照射、商品的价格、印度豹的行速、翼翅的形状、一片树叶、一场山洪、所有的往返和继续、细小精致的修补，均是一个最优化问题的解答。我们如何预测涉及我们的过程在什么时候达到它期望的最值？拿出一个连续变化的描述这个过程的函数，画出它的曲线图；注意到曲线的峰顶和谷底处的切线的斜率是——零！　　　　
　　　　　　　　　
　　　　峰顶和波谷的水平切线　　　　
　　　　事实上我们甚至不需要画曲线图；我们从最初读作函数曲线图上任意一点的斜率中导出另一个函数：以前叙述过的函数f‘（x）。这个新的、导出的函数取零的地方，它的输入值就是f（x）取最大或最小值的数字（决定它时需要一点注意：最大值出现在——从左边到右边——斜率从正变到负，最小值出现在从负到正的转折处。另外，当你被悬挂在礁石上，你可能被误导进而认为你已经到达了山顶或谷底。表示这样一个零斜率的左边和右边的符号让你一直奋力挣扎）。　　　　
　　　　　　　　　
　　　　最大值、最小值和拐点　　　　
　　　　如果有几个极值点，我们通过比较原函数在这些点的值找到最大或最小值。　　　　
　　　　　　　　　
　　　　最大值　　　　
　　　　在零存在的情况下，你希望摇摆不定的值重新回来。这里，零作为被一系列递减数字接近的极限，在微积分中的新概念产生出再没有如此害羞的角色：更确切的说，真实的零在变化过程中扮演的角色就像一个出席舞会的少女的女伴。认为所有工程和科学是专门用来引出并解释它的符号的看法一点也不夸张，因为如果欧拉是对的，这些符号将指出世界的意义。　　　　
　　　　书写一个胜利者的历史是多么轻松和愉快呀，展示必须出现的事件——逐渐增长的对极小量的忽视、将变化作为基础这个观点的胜利、十九世纪将极限概念合法化的努力——为他们最佳化的努力，如果没有它们，我们也许仍旧陷在世界是存在于沙堆之上的形而上学的思考之中。然而我们又一次看到达芬奇潦草的笔迹在岁月留下的釉面（烧制陶器前附在陶器表面上的一层着色的、不透明或透明的材料——译者注）上扩散：告诉我是否任何�