轉角遇到鬼—以有限大駕馭無窮小的epsilon-delta & 根號-1的故事

微積分發展初期，使用直覺式的論證，雖然實務上解決了許多問題，但是也陷入邏輯上的困境，論證的過程甚至被批評是「看到鬼」。

數學家後來以「 ... 【科學史沙龍】  2020年05月07日2020年05月04日 CASEPRESS ＜轉角遇到鬼—以有限大駕馭無窮小的epsilon-delta＞ 微積分發展初期，使用直覺式的論證，雖然實務上解決了許多問題，但是也陷入邏輯上的困境，論證的過程甚至被批評是「看到鬼」。

數學家後來以「epsilon-delta極限定義法」，解決直覺論證的邏輯問題。

本講次除了介紹其來龍去脈之外，也舉出人類為了理解「無窮」這個概念，想出來的許多方法，一起來認識這個美麗深邃的世界。

講師：英家銘｜國立臺北教育大學數學暨資訊教育學系助理教授 每當人類文明從部落社會進入君主制國家時，對於數學的需求就會相對提高。

農業國家一旦發展出按照土地徵稅的概念，丈量田地面積就會成為重要的國家工作；至於建造天文台、帝王陵寢、宗教建築等巨大工程，則需要計算各種不同類型的體積，以此估算所需的人力物力。

這些計算面積與體積的具體需求，是數學發展重要的動力。

計算面積與體積的數學，具體來說是積分的範疇；小學數學就會教授的三角形面積與長方體體積算法，可說是最簡單的積分。

但是諸如金字塔這樣的錐體，或是圓形以及拋物線旋轉體這種曲線體，由於它們不能分割成有限多個簡單的三角形或長方體，因此在計算其面積或體積時，就必須用上一些跟「無限」有關的思考方式。

這些都是現實生活中會碰到的實際問題，然而無限的概念既不符合直覺，在邏輯上也很容易造成悖論，因此古希臘人在論證時，對於無限的概念總是避之唯恐不及。

這樣對於「無限」諱莫如深的態度，到了科學革命的時代，必須解決實際問題的科學家們，開始更勇於使用無限的概念加以論證。

比方說費馬跟笛卡兒討論曲線的切線跟法線，克卜勒計算橢圓曲線內部的面積，牛頓研究行星運動的瞬間速度，這些問題都必須用上「極限」的思考。

牛頓跟萊布尼茲在17世紀發展出來的「無窮小量計算法」(infinitesimalcalculus)，後來歸結發展成為微積分的基礎，在18到19世紀廣泛應用於許多科學與工程計算，解決了許多過去無法解決的問題。

然而微積分這個既違反人類直覺，又難以論證的邏輯基礎，仍然難以說服許多哲學家與數學家。

對於持疑者來說，這個既不是有限量，也不是無限小量，又不是空無的「漸漸消失的增量」，簡直像是「轉角遇到鬼」一樣難纏。

這個難題在19世紀數學家柯西(Augustin-LouisCauchy)、布爾扎諾(BernhardBolzano)、魏爾斯特拉斯(KarlWeierstrass)等人的努力之下，發展出epsilon-delta極限定義，讓整個論證過程全都是有限量的四則運算跟開方，完全避開無窮小量的麻煩處，因此成為現代微積分理論的基石。

  ＜根號-1的故事＞ 以複數為基礎的複變函數，可應用於流體力學、熱力學、電磁學等領域，是實用性相當高的數學思維。

然而根號-1這個違反人們直覺的概念，直到19世紀才正式為數學界所接納。

本講次介紹以根號-1為代表，虛數與複數概念的發展歷史脈絡。

講師：蘇意雯｜臺北市立大學數學系副教授 在國中的數學教學中，根號-1的答案是無解；到了高中代數，引進虛數i的概念之後，根號-1變成有解。

我們實際上詢問高中同學對於虛數的看法，他們多半覺得虛數的概念虛幻不實，不知道這個「不存在」的數有什麼實際用途，似乎只是數學家為了方程式一定要有解，硬是創造出來自圓其說的東西。

這樣的困惑不是只有高中同學才有。

12世紀印度傑出的數學家婆什迦羅(BhāskaraII)，就不相信有自乘等於-1這種數存在，也不鼓勵人們去進行「不切實際」的思考。

16世紀義大利數學家卡丹諾(GirolamoCardano)，有一次利用負數開根號進行運算時，也覺得良心不安，表示算數的發展「雖然精緻，卻不中用」。

笛卡兒、牛頓跟萊布尼茲，更是認為負數的平方根是虛幻的，沒有實質意義，理性上不能接受。

第一位為虛數說話的，當數16世紀義大利代數學家邦貝力(RafaelBombelli)，他在傳世著作《代數學》討論負數的平方根，利用卡丹諾發表的三次方程式解，發展出根號-1的運算法則，奠定了虛數理論的基石。

17世紀法國數學家基拉德(AlbertGirard)，則說我們可以藉著這些不可能的解，肯定一般代數法則，因此有其應用價值，不然除此之外也別無他解。

18世紀偉大的數學家尤拉，也在他重要的代數著作《代數指南》中，說了「虛數i既不是0，也不大於0或小於0」這樣微妙的敘述。

雖然尤拉等人想出了用複數平面上的點(a,b)來表示a+bi的方法，但是能夠明確地以幾何語言，描述複數四則運算的工作，則是由挪威測量員威塞(CasparWessel)完成的，他以向量的想法來描述複數的加法與乘法。

19世紀的數學泰斗高斯，更是在他的研究工作裡嫻熟地運用複數，並且公開宣揚複數的幾何表示，使得複數的可信度大增。

兩年前才剛過世的霍金，甚至提出了「虛數時間」的概念，他說這個聽起來像科幻題材的數學模型，不僅能夠導出許多已經觀測到的效應，甚至可以導出目前雖然尚未測量到，但我們深信存在的效應。

美國數學家赫希(ReubenHersh)曾說過，數學就像一間出色的餐廳，顧客們在用餐區享用著乾淨且精心烹製的菜餚，數學家卻在水深火熱的廚房裡掙扎努力。

由根號-1衍生出來的虛數與複數，其發展歷程正是這段比喻的完美詮釋。

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