微积分是现代大学教学特别是理工科专业教学的重要组成部分。在我国,微积分目前已进入高中数学的课堂教学。微积分是微分和积分的融合,是研究极限和无穷级数的一个数学分支。现代微积分是17世纪时由牛顿和莱布尼茨分别独立发展起来的。尽管牛顿在他的《自然哲学之数学原理》中似乎刻意回避使用微积分,但书中仍能清晰地看到微积分的影子。
不少科学史家也认为,牛顿之所以能够在开普勒行星运动定律、惠更斯向心力公式和胡克平方反比律的基础上提出万有引力定律,将天上行星沿椭圆轨道运行所受的向心力与地上“苹果”坠地所受的重力统一起来,正是得益于他发明的微积分。
从人类历史来看,牛顿的万有引力定律和他的运动定律一起,奠定了西方近代科学和机械唯物主义自然观的基础。从此,天体的运动、潮水的涨落、彗星的出没,都可以用同一的力学规律来描述、来预测。因此,可以毫不夸张地说,是微积分重塑了世界近现代文明,没有微积分就没有科技高度发展的今天。
因此,看到这本书的书名——《微积分的力量:微积分是如何揭示宇宙秘密的》时,我以为作者会从近代天文学和物理学开始,讲述牛顿如何在前人的基础上利用微积分来推导和证明其力学体系,进而讲述微积分在近现代科学和技术中的应用。可当我翻开目录寻找有关牛顿或者莱布尼茨的字眼时,却发现他们在200多页之后才出现。而全书的第一章,作者竟然把我们拉回到了数千年前的美索不达米亚和古埃及。作者这样编排是有他的理论基础的。
作者以所谓“微积分的信条”也就是“无穷原则”来定义微积分:“在解决关于任意连续体的难题时,先把它切分成无穷多个部分,然后一一求解,最后通过把各个部分的答案组合起来去解决原始的难题。”把连续体切分成无穷多个部分的过程就是微分学的研究内容,把各个部分的答案组合起来的过程就是积分学的研究内容。
因此在作者看来,微积分不是从牛顿、莱布尼茨才开始的,早在2000多年前阿基米德利用夹逼法计算圆周率时,微积分就已经存在了。
感谢作者对微积分持有的这一观点,使得这本书不再是一本面向高中生和大学生同时又令他们退避三舍的微积分教材或习题集,而是成为一本和善的、循循善诱的“写给每个人的微积分读物”。从全书的脉络来看,与其说微积分是数学的一个分支,不如说是数学的一个发展阶段,或者说是数学发展的一个台阶。
算术是研究事物的数量及其运算的学问;代数是在算术的基础上以字母代替数字来寻求解决各种数量关系问题的更普遍、系统的方法的学问;几何是研究图形的平面和空间结构及其性质的学问;解析几何将数与形结合起来,成为一门运用代数解析式进行图形研究的学问。
微积分则在算术、代数、几何、解析几何的基础上进一步将有限和无穷结合起来,将离散和连续结合起来,将静态和动态结合起来,将研究对象拓展到多事物以及事物内部连续变化的多变量之间的关系。
由于现实世界中的事物往往在尺度上近似无限可分、在空间和时间上连续变化、在结构上多变量动态相互作用,因此,微积分往往能够更好地揭示“宇宙密码”,更准确地预测不同事物乃至宇宙这架“机器”的运行,显示出认识自然乃至改造自然的巨大力量,这或许正是物理学家理查德·费曼将微积分称为“上帝的语言”的原因。
清华大学科学史系教授吴国盛也曾戏称人可以分成两类,一类是学过微积分的,一类是没有学过微积分的,大概也是基于微积分对理解自然的意义而言的。按照科学史界对“内史”与“外史”或“思想史”与“社会史”的分类方法,本书应该算作一本数学“内史”或“思想史”的著作,这和作者数学家的身份是相称的。
凭借深厚的数学学科素养,作者能够驾轻就熟地把微积分发展的历程、不同历史阶段每个相关概念之间的发展关系梳理得井井有条,让人一目了然。但本书又不是对微积分发展史的枯燥记述,而是运用“讲故事”和“看展览”的方式,“借助图片、隐喻和趣闻逸事等”来解释关于微积分的知识,加上作者长期从事科普形成的通俗易懂的语言风格,像他的另一本数学科普著作《X的奇幻之旅》一样,这本书读起来同样倍感轻松,甚至颇有亲切感。
由于本书将微积分放到整个数学发展史的背景下来阐述其发生、发展、成熟的过程,因此读者从这本书中所能获得的收益绝不限于微积分本身。就我个人来说,读完这本书,困扰着我整个数学学习生涯的许多问题竟然在这本书里都能找到答案。我毫不怀疑,如果学这些课程之前我已经看了这本书,一定能学得更好。因为它能帮助你建构起更系统、更完整的数学知识体系,对数学的理解不再是一个个碎片。
难怪《黑天鹅》的作者、金融作家纳西姆·尼古拉斯·塔勒布这样评价本书:“这是一本危险的书。它会让你爱上数学,甚至有可能把你变成一位数学家。”