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2.001的立方

2.001的立方

为了理解无穷小量是多么富有启发性,我们不妨从非常具体的例子入手。思考一下这个算术问题:2的立方(2×2×2)是多少?答案当然是8。那么,2.001×2.001×2.001是多少?其结果肯定略大于8,但到底大多少呢?

在这里,我们要寻找的是一种思维方式,而不是一个数值解。一般性的问题是,当我们改变一个问题的输入(在这个例子中,就是把2变为2.001)时,输出会改变多少呢?(在这里,答案从8变为8加上某个我们想要了解其结构的东西)。

既然很难忍住不偷看,那么干脆看看计算器会告诉我们什么吧。输入2.001,然后按下x3键,得到:

(2.001)3=8.012 006 001

我们需要注意的结构是这个数的小数部分,它实际上是由3个大小完全不同的部分组成的:

0.012 006 001=0.012+0.000 006+0.000 000 001

我们可以把它想象成“小”的部分加上“超小”的部分再加上“超超小”的部分,并运用代数方法来理解这个结构。假设一个量x(在这个例子中是2)略微变化为x+Δx(在这个例子中是2.001)。符号Δx表示x的差分,指x的微小变化量(在这个例子中Δx=0.001)。当我们问(2.001)3是多少时,我们实际上问的是(x+Δx)3等于多少。经过乘法运算(或者运用杨辉三角形和二项式定理),我们发现:

(x+Δx)3=x3+3x2Δx+3x(Δx)2+(Δx)3

把x=2代入后,这个方程变为:

(2+Δx)3=23+3(2)2(Δx)+3(2)(Δx)2+(Δx)3

=8+12Δx+6(Δx)2+(Δx)3

现在我们就能明白,为什么除了8以外的数位是由3个大小不同的部分组成的。小但却占据主导地位的部分是12Δx=12×0.001=0.012,而6(Δx)2和(Δx)3则分别对应超小部分0.000 006和超超小部分0.000 000 001。某个部分中Δx的指数越大,其数值就越小。每多乘以一次微小的因子Δx,都会让一个小的部分变得更小,这就是各个部分大小不同的原因。

这个例子虽然不起眼,却恰恰展示出微积分背后的核心观点。在很多关于原因与结果、剂量与反应、输入与输出,或者其他类型的自变量x和因变量y之间关系的问题中,输入的一个小的变化量(Δx)都会使输出产生一个小的变化量(Δy)。这个小变化量通常是以我们可利用的结构化方式组织起来的,也就是说,输出的变化量包含不同层级的部分。按照大小,它们可以被分级成小的、超小的甚至更小的部分。这种分级方式会让我们专注于小但却占据主导地位的变化量,而忽略超小甚至更小的其他变化量。虽然这个变化量很小,但和其他变化量相比却是巨大的(比如,与0.000 006和0.000 000 01相比,0.012是巨大的)。这就是微积分背后的核心观点。

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