“泰朵拉你英语发音真标准啊。既可以说是‘nexists’,也可以说是‘there existsn’。再补充上 such that 的话,更容易让人理解。”
“数学公式就像浓缩果汁一样吧。一口气喝下不妥吧?”她问。
我还没说完,泰朵拉就抢着说道:“啊,请等一下。那个‘增加的数量逐渐变小’这个说法就可以用我刚才所写的数学公式来表示吧。嗯……就是这个。”
“的确,如果用语言来描述它们的区别的话太难了。对了,这个不等式中出现的M原本应该是什么呢?”泰朵拉问。
“接下来是写法上需要注意的地方。下面两个式子中出现了省略号(...),表示无限的 ... 是式(1)和式(2)中的哪个呢?”我问道。
“到目前为止,我们把Hn定义为。如果n逐渐变大的话,那么Hn/sub>本身也逐渐增大。但是,Hn增加的数量却在逐渐变小。那么,只要n不断增大的话,Hn就会一直增大下去吗?还是说,即使n变得很大很大,Hn也不会比某一个特定数字大?”我提问道。
“啊呀,我们又陷入无限这个话题了。在求无穷级数之前,首先必须习惯计算有限项的和。为了习惯,我们把n为 1, 2, 3, 4, 5 的情况分别代入式子计算一下看看。”我说。
“对不起对不起。但是,你不仔细确认就下结论,这样可不行哦。”我说道。
“没有,没关系的。我们一点点做吧。”
“确实不一样。如果写成N的话,给人的感觉像是普通的数字。而写成就是为了表示‘这不是数字,而是集合’。”我说。
“没有没有,你抓住了原式所要表达的意思啊。这个式子并没有错哦。”我鼓励她。
“对……对不起。我不太明白无穷级数和部分和的区别……”她打断我的话问道。
如果n= 1,则Hn= 1。
我又说道:“那么接下来我们研究一下部分和吧。首先,要求的值,n的值是关键,所以就要先关注n为何值。比如用Hn来表示也可以,这就是Hn的定义式了。”
“好的,嗯……”泰朵拉开始算起来。
“这就是无穷级数,也可以称为级数。”
“泰朵拉,那你认为是什么呢?”我反问道。
这下好了吧,学长。
“是表示‘存在’的意思吗?也就表示‘For allMin,nexists in... ’的意思吧?”泰朵拉说道。
“如果一定要用语言来表达的话,可以这样说。”我回答。
“中的k只是在 Σ 的过程中起作用的变量,这从外边是看不出来的。像k这样的变量称为约束变量,也就是被约束在 Σ 的过程中的意思。其实也未必需要将这个变量取名为k,随便取个自己喜欢的字母就可以了。i,j,k,l,m,n等也是经常被使用的。但是 i 也用来表示虚数,所以为了不使人混淆,还是避免取名为i。另外,本来将约束变量取名为n也是可以的,但是在这里不可以,因为n在这里代表别的意思。如果将写成的话,式子的意思就变得很奇怪了。”
好了,完成了。接下来再将各项的顺序调整一下。
“正是如此。非常好。”我赞许道。
“我们先来看看题目中的式子,这个式子中难以理解的是 ∞ 这部分吧。”我说。
对于所有的正整数n,成立。
“学长……看来我数学确实很烂。”她说。
“是这样吧。”她说。
“嗯,正确啊。因为H1 等于 1,但是这不是理所当然的吗?——噢,我知道了,‘我们要从理所当然的地方开始思考问题’。”泰朵拉说。
“啊,原来是这样。对了,写成Hn的话,虽然剩下了n,但是k为什么消失了呢?”她问道。
“学长,如果用语言来表达的话该怎么说呢?”泰朵拉问我。
“原来如此……虽然我们绕了个大圈子,但是意思总算是表达清楚了。”泰朵拉喘了口气。
“啊,不好意思哦,又要浪费您宝贵的时间了。”她充满歉意地说。
“好的!学长,我……我很开心!”泰朵拉说。
(使用了k的式子)
“按顺序观察这些式子,我们来关注一下变量,也就是这部分。”我说。
“下面(a)和(b)两个数学公式表达的是两种完全不同的意思,你知道吗?”我在笔记本上写下两个数学公式。
“这是日语片假名ヨ吗?”泰朵拉指着式子中的一个符号问。
“对啊对啊,你记得很牢嘛。那么,下面的这种说法是否成立呢?”我又问。
泰朵拉一脸哭相,摊开了笔记本。笔记本上只写着一行数学公式。
“我觉得自己应该是明白了。顺序很重要。式(a)是先决定M,然后再探寻n。在探寻n的时候,M是不变的。但是,式(b)是先决定n,然后再根据n来探寻所有的M吧?”泰朵拉说。
“∈ 这个符号其实是利用了元素 ∈ 集合这个形式,表示‘这是集合中的元素’。写成这个形式的话,就表示‘无论从集合中选择哪个元素n都……’的意思。”我回答。
“不是哦,∃ 是把 Exists 中的 E 倒过来写的符号。”我回答说。
“嗯,很不错哦。正是如此。”我赞许她道。
“嗯,是挺难的。也难怪,用日常生活中的语言来表示确实很难,我们还是用数学公式来表示吧。首先,我们先将‘最终目的地是被定义出来的东西’这一点牢记在心。虽说是被定义出来的东西,但也并不一定是靠直觉就能理解的。我们不应该直接求无穷级数的数字,而应该考虑部分和之后再思考从n变到无穷大的极限,这才是正确的方法。”
“像这样可以判断是否成立的数学论题就称为命题。命题可以用文字表述,也可以用数学公式来表示。那么,下面这个命题是否成立呢?”我问。
“是 limit,也就是指极限。如果用数学上的定义来解释的话,可能一时半会儿解释不完,那现在我就简单说说。假设有数列这个式子就表示当n非常大的时候an的值到底是什么。将n增大的时候,an可能会变得越来越大,也可能会一会儿变大一会儿变小,还可能会变得趋向于某一个定值。而这个式子就可以定义成an趋向的那个定值。也就是说,这个数学式表示了an所到达的‘最终目的地’。确定到达的最终目的地称为收敛。”我答道。
“嗯,像你这样有不懂的地方就问出来是很好的习惯噢。‘n的值是关键’就是说,只要确定了n的具体数值,比如 5 或 1000,那么这个式子的数值也就能确定了。所以,以n为下标,可以写出Hn这个式子。这样一来,我们就可以将式子写成H5 或者H1000 了,也就等于给它们命了名字。”
“,相加下去的数字在逐渐‘变小’,这里就是用‘小’这个数学公式来表现这种‘变小’的情况的吧。”她补充道。
“虽说如此……”她不满地撅起了小嘴。
对于所有的正整数n,成立。
“没关系的。有什么不懂的地方就问,那很好啊。”说着,我们俩都笑了。
“很可惜,这次错了。这个式子不成立。右边的分母不正确。分母不该是n,如果是n+ 1 的话就成立了。”
“什么呢?”泰朵拉不解。
“嗯……噢,这个数字是不是很大啊?”她问。
“‘’可以读作‘For all n in... ’,翻译过来就是‘对于 所有的正整数n都……’或者‘对于任意正整数n都……’吧。就是将 All 这个单词中的 A 倒过来写。”我答道。
“啊,等……等一下。我不太明 白‘n的值是关键’这一点。”泰朵拉打断我说。
“嗯。我想起来了,学长以前也说过‘要把数学公式像揉捏黏土一样玩弄’。”泰朵拉一边说着“玩弄”,一边用手摆弄起揉捏黏土的动作,“啊……但是‘对于所有正整数n’这部分不是数学公式吧?”她又问道。
“嗯,成立啊。”她答道。
对于所有的正整数n,成立。(?)
For allMin, there existsninsuch that.
“虽然H1,H2,H3,H4,H5, ... 这些数本身是逐渐增大的,但是它们‘增大的部分’,也就是‘增加的数量’是逐渐变小的。渐渐地,这些数字就只是增大一点点,于是……”
“这两个式子有点长,为了让你更容易理解,我加上括号给你看看吧。”我边说边加上括号和解说。
“嗯,一个是 ∞,一个是n。但是,因为n是个变量,而 ∞ 也是吧,这样一来不就是相同了吗?”她疑惑不解。
“学长,您怎么了?”泰朵拉问。
“嗯,是啊,数学是很有意思的哦。使用数学公式这个新型语言,可以让表达不再模棱两可,还可以整理思路。”
“嗯,特别是我和学长一起……嗯,是啊,是这样的。明天也请多多关照啰!”她说。
“你也很努力啊,泰朵拉。今天就说到这里吧。快到图书管理员瑞谷老师出现的时候了。明天放学后我们再一起打开百宝箱的盒子吧。”我提议道。
“好了,我们逐渐可以看出问题了。这是最初的宝藏。”我说。
问题 8-1
如果将实数的集合用来表示,正整数的集合用来表示,那么下面的式子是否成立呢?
泰朵拉口中轻轻反复念着这段英语,考虑了片刻。
“嗯,做得不错。泰朵拉你从中发现了什么命题吗?”我问道。
For allMin, there existsninsuch that. (a)There existsnin, such that for allMin. (b)
“那么,我们来列举一下根据所能得到的信息。正所谓‘举例是理解的试金石’嘛!下面的这种说法是正确的吗?”我问道。
“表示无限的 ... 是不是第(2)个式子呢?”泰朵拉不确定地问。
“怎么样?”我问道。
“你能发现它们的区别吗?”我问她。
“没什么。我们继续往下看。下面这个命题是否成立呢?”我问。
“嗯,不是。但是如果将正整数的集合用来表示的话,就可以用这样的数学公式来表达。”
“是啊。一看到这个式子,人们就会觉得这个是‘k由 1 变化 到无穷大,然后将这些相加起来的和’。但是,寻找无穷大的数到底在哪里,然后把k给算出来的方法是不正确的。无穷级数是部分和的极限,可以定义为以下的式子。”
这就是Hn的定义式。接下来将具体展开。
“啊?什么意思?”泰朵拉突然睁大眼睛,歪了歪脑袋。
(Hn的定义式)
在泰朵拉思考的时候,我一直默默地等着。
对于所有的正整数n,成立。
“这种无限持续下去的式子总让人有种已经掌握了的感觉,但真要认真分析时,又觉得非常困难。泰朵拉,你的挑战精神真的很令人佩服哦。接下来的步骤我们一起来完成吧。”
“不好意思,lim 是什么呢?”她问。
“是的……我知道了,我们在处理无限时要格外小心。是叫发散吧,一旦和无限有牵连,即使写出了数学公式也可能无法确定具体数值吧。”泰朵拉说。
“那为什么要以H来命名呢?”她不解。
“嗯……因为出现了,那么这个命题怎么样呢?”她边思考边写下。
“正 是。式(1)中出现的 ... 并不是表示无限的 ...。这里只是因为地方不够写不下了,才用 ... 来表示的。这个式子只表示有限个项,必定有一个确定的数值,这并不可怕。但是 式(2)中出现的 ... 表示无限。这个式子中隐藏着 lim,也就暗示着‘有可能会有不确定的数值’。有限项的 ... 和无限项的 ... 意思完全不相同,可要注意了哦。”我提醒道。
“就是说无论选择哪个数字都可以吧!学长,不知道为什么,我觉得这像是在用数学语言写作文似的。这不叫英语作文,叫数学作文吧?”泰朵拉笑着说。
“嗯,勉强能懂。”泰朵拉说。
“嗯。那么,我们将现在的命题用数学公式来写写看……这样可以吗?”她问道。
对于所有的正整数n,当n增大时,Hn也随之增大。
“这个问题也就是说,下面的式子是一直增大下去呢,还是大到一定程度就停止了呢。对吧?”泰朵拉用手撑着头,问道。
“嗯,你累了吧?”我说道。
对于所有的正整数n,Hn都大于 0。
“没什么,听你这么一说,我刚才在想,原来还有你这样的想法啊。其实我只是想说‘比起日常生活中的语言,用数学式子来表示显得更严密’罢了。话虽如此,泰朵拉你究竟是什么人呀?”我说道。
“的确,这个命题是成立的。但是,比起‘当n增大时,Hn也随之增大’,‘’这种说法更加严密。严密……嗯。”泰朵拉陷入了沉思。
“啊,是吗?”她不敢相信。
(使用了k的式子)
“和普通的N有所不同吧。”她说。
对于任意实数M,存在正整数n使式子成立。
“嗯。”泰朵拉应声道。
对于所有的正整数n,Hnn+ 1。
“∈ 这个符号又表示什么呢?”泰朵拉问。
“啊?”听了泰朵拉的话,我有点吃惊。“增大”和“大”的区别?“一般动词”和“be 动词”的区别?——啊,原来如此,可能确实是这样。曾几何时,村木老师也说过这样的话。就像观察数列的变化情况和通过关系式把握数列的各项间的关系……
“好了,我们把数学式子Hn一个一个地写出来看看。”
“可是学长,我完全不知道该从何开始做起,虽然我想从中发现一些有趣的东西……”她泄气地说。
“没有没有。——有一点累吧。但是,多亏听了学长的讲解,不知怎么的,我觉得自己‘数学作文的词汇量’增大了呢。”
“而这个就是部分和。”
第二天放学后,图书室里人很少。
“泰朵拉,像这样把数学公式写出来可是很重要的哦。即使是理所当然的内容也没关系,先把它们都写下来看看。这就是练习使用数学公式来表达的好方法噢。”我说。
“厉害厉害。不错,如果用数学式子来表示的话是什么样呢?”我问道。
对于所有的正整数n,当n增大时,的值变小。
“式(a)和式(b)意思上的不同是很难用语言来表达的。但是,如果用数学公式来表达的话,却非常清楚明朗。——当然也要在你正确解读的基础上。”我说道。
“∞ 不是‘数字’,至少一般它不作为数字来用。比如,实数中就不包括 ∞。”我说。
“数学作文……确实,数学也有这一方面的功能吧。用数学公式来表示的话,经常能大大精简语言。所以,在解读写有数学公式的地方时,我们还是慢慢地来比较好。”我说。
“嗯,是的。从那张纸片中可以非常自然地想到这个问题。也就是说,我们要研究它是发散还是收敛。我们用数学公式来表达。”
“咦?奇怪了。啊,这样啊。学长,您给我陷阱让我跳,真过分啊。”泰朵拉嘀嘀咕咕地抱怨。
“原来即使看上去相同的 ... 意思也不同啊!”泰朵拉感叹道。
“嗯,无穷大的数字是……”泰朵拉说。
“对对,正是如此。增加的数量逐渐变小这一说法有点模棱两可,如果像这样用数学公式来表达的话,意思就清晰明朗了。也就是说,让人更容易理解了。也有人可能会认为数学公式很复杂,让人难以理解,但是如果不用数学公式来表达,反而变得让人更加难以理解。数学公式就是语言。如果能够很好地利用的话,不仅能帮助自己理解,还能帮助自己把自己想说的话表达出来。”我说。
“虽然很复杂……但不管怎么样,我还是明白了。”泰朵拉说。
“啊,我明白了。这就是‘增大’这个动作性的表现方式与使用不等号来表示‘大’这个叙述性的表现方式的差别吧。就好比英语中一般动词和 be 动词的差别。”她说道。
“嗯……是成立的吧。n逐渐增大就意味着加上去的数字越来越多吧。”她答道。
“如果用英语来表示的话……”我又接着写道。
“嗯……真是好难啊。但是关于n变得很大很大的时候an到底会怎样,这一点我倒是听懂了……”她说。
“就像这样,的数值在逐渐变小。正如泰朵拉你刚才所说的那样。”我说。
“对对对,如果正数相加的话就会变大吧。‘当n增大时,Hn也随之增大’这个命题用数学公式来表示的话也是可以的。用数学式子表示会显得更严密。”我说。
“对了,应该是什么,这个从Hn的定义式中就能求出来了。你做做看。”我说。
“嗯,对哦。式(a)是先选择M然后再寻找n,主张对于所有的M都能找到相对应的n。每选一个M,n都可以有所改变。但是式(b)是首先寻找n。这个n究竟是一个什么样的数字呢?它是关于所有的实数M都能使不等式成立的伟大的n。在式(b)中,选择M的时候n不变。这次例题 8-1 的主张是式(a),能理解吗?”我说。
“不是啊,这可有很大的不同。的确,n虽然是个变量,但它表示有限大的数字。而 ∞ 不是数字,不能代入n。将n理解为是有限大的数字,就意味着中有有限个项。也就是说,计算结果肯定是能够求得的。但是,像这样有无限个项相加的式子的话,就不一定能求得计算结果了。刚才我稍稍提到过‘变得越来越大’和‘一会儿变大一会儿变小’等状况,那种情况下要到达的最终目的地是无法确定的吧。不确定的数值是不能被当作数字来处理的。不能确定要到达的最终目的地称为发散。所以在处理无限个项的时候,会碰到这种比较危险的状况。”
“这个数学公式怎么读啊?”她问。
“因为卡片上写着,所以我将其部分和写成了Hn。”我解释道。
“嗯,我明白了。不好意思,我刚才打断了您的话。”她表示歉意。
听了我的赞美,泰朵拉看上去很高兴。
“嗯,成立。因为我们将Hn定义为分数的和,所以前后两个数字相减结果得到分数也是理所当然的。”
“嗯,是这种感觉吧。与其说是‘一直变大下去’,倒不如给任意实数取上M这个名字,然后说‘比M还要大’,这个表达方法也更清晰。如果不管M取哪个数,都能找到像例题 8-1 中那样与M对应的n的话,就可以说Hn一直变大下去。但是,如果对于某个数M,与之相对应的n不存在的话,那么就不能说Hn是一直变大下去的。”