在遙遠的古代,人類還在原始大森林中刀耕火種的時候,就已經(jīng)開始仰望浩翰的星空,陷入了深深的思考:宇宙到底有多大,宇宙的邊緣到底在哪里?宇宙的盡頭到底是什么?這時在人們腦海中不斷地閃現(xiàn)出兩個字:“無窮”。人類的先行者們對“無窮”問題的思考,就如川流不息的河水在漫長的歲月里靜靜地流淌著,經(jīng)歷了數(shù)萬年的思考,終于來到了17世紀。

在這個偉大的時代里,牛頓和萊布尼茨分別獨立地發(fā)明了“微積分”,但是“微積分”中的“無窮小量”卻引發(fā)了“第二次數(shù)學危機”,“無窮小量”猶如一匹奔馳在數(shù)學荒原上的野馬,沒有人能夠讓它乖乖聽話。然而,有那么一位偉大的數(shù)學家,最終用“極限”的定義馴服了“無窮小量”,他就是柯西。
柯西于1789年出生于巴黎,身為律師的父親與當時的大數(shù)學家拉格朗日和拉普拉斯私交甚篤。少年時代的柯西就展露出了出色的數(shù)學才華,深受這兩位數(shù)學家的贊賞,認為他將來在數(shù)學上必定可以獲得極高的成就。

但是,每一位天才都是孤獨的,柯西也是一樣。學生時代的柯西不愛說話,因而他的身邊沒有朋友。在那個以“讀哲學書”為榮的時代,柯西課余??吹臅鴧s是拉格朗日的數(shù)學書,人們都嘲笑他為“苦瓜”和神經(jīng)病。
1807年至1810年,柯西放棄了交通道路工程師的身份,全身心地投入到了純數(shù)學的研究工作之中。幾年之后,柯西回到了巴黎,開努擔任母校的數(shù)學教授,柯西在日記中寫道:“我像是找到自己河道的鮭魚一般地興奮?!闭沁@個優(yōu)越的“數(shù)學教授”職位,讓柯西的數(shù)學研究工作如魚得水,也為柯西的數(shù)學事業(yè)迎來了嶄新的春天。

十七世紀,那是一個特殊的時代,牛頓和萊布尼茨以“無窮小量”的概念為基礎建立起了“微積分”,沉淀了數(shù)千年的人類文明,正在蓄勢待發(fā),即將在人類文明的天空綻放出絢麗的光彩。
但是,由于人們滿足于“微積分”所帶來的成果而急于高歌猛進地開拓新的領域,卻忽略了“微積分”底層的邏輯建設,引發(fā)了人們對“微積分”的置疑:“無窮小量”是否等于“零”?如果說是“零”,怎么能用它去作除數(shù)?如果它不是“零”,那么在“函數(shù)變形”時,又為何將那些“微小的量”的項去掉呢?
“微積分”底層混亂的邏輯引起了以英國哲學家、大主教貝克萊為首的各界權威對“微積分”發(fā)起了激烈的攻擊,“第二次數(shù)學危機”爆發(fā)了。

在十七世紀“微積分”誕生之初,到之后的一百多年里,“無窮小量”這匹自由的野馬,在數(shù)學的荒原上無羈地奔跑著,充滿著巨大的能量和無窮的活力,但人們卻又無力去把握它。
要解決“無窮小量”的問題,還得從“無窮”的概念說起。人們對“無窮”概念的深入思考,最早可以追溯到古希臘,在那個遙遠而荒蕪的時代,芝諾提出了著名的“芝諾悖論”,比如四大悖論之一的“飛矢不動”悖論。

“飛矢不動”悖論是這樣的:一支在空中飛行的箭,在任一“無窮小”的“時間”點上,它一定處于“空間”中的一個特定的“無窮小”的點上。而在每一個特定的“無窮小”的“時間點”上,箭只能是“靜止”的,由于箭的飛行軌跡由“無窮”個這樣的“點”組成,所以飛行的箭總是靜止的,因而箭的運動是不可能的。
芝諾提出的“飛矢不動”悖論,也是人類最早將“無窮”問題尖銳地擺到桌面上來進行討論。
“飛矢不動悖論”實際上一個關于“無窮集合”的問題。早期的“無窮集合”被分為兩種:一種是“無窮過程”,人們稱之為“潛在無窮”,另一種是“無窮整體”,人們稱之為“實在無窮”。當時的大數(shù)學家亞里士多德認為這個世界只存在“潛在無窮”,而“實在無窮”是不存在的,比如宇宙,在人類看來,是“無窮的”,但是如果站在上帝的角度,宇宙卻是“有限”的,因而這個世界“真正的無窮(實在無窮)”是不存在的,因而“無窮集合”也是不存在的。由于亞里士多德的權威地位,人們對“無窮集合”的研究停滯了兩千多年之久。

而在這漫長的時間里,“無窮”只是做為一種“觀念”存在,沒有人將它作為一個“數(shù)”,更沒有人將它參與“數(shù)學運算”。
但是,當牛頓和萊布尼茨創(chuàng)立“微積分”之后,卻冒天下之大不韙,將“無窮小量”當成最為基本的“量”來進行演算,建立起一門新的學科——“無窮小演算”。將“無窮”個“無窮小量”加在一起,就是“積分法”,當“兩個”“無窮小量”相除,就是“微分法”。
此時,一直被傳統(tǒng)思想所忌憚的“無窮小量”,大模大樣的闖進了數(shù)學領域。這令數(shù)學界的權威們充滿疑慮,就連號稱“數(shù)學家之王”的高斯也不例外。

高斯是一個“潛在無窮論者”,不承認“無窮集合”,他曾在給朋友的信中強烈地反對人們將“無窮”的概念和“無窮”的“記號”當成“普通數(shù)”一樣來參與“數(shù)學運算”。
早期的柯西也和大多數(shù)大數(shù)學家一樣,也不承認“無窮集合”的存在,但隨著有關“無窮集合”數(shù)學成果的不斷涌現(xiàn),他最終還是接受了“實無窮”,從而接受了“無窮小量”,他說:“純數(shù)學的領域里,似乎沒有實際的物理現(xiàn)象來印證,也沒有自然界的事物可說明,但那是數(shù)學家遙遙望見的應許之地。理論數(shù)學家不是一個發(fā)現(xiàn)者,而是這個應許之地的報導者?!?/p>
柯西開始嘗試著用“嚴格”的“無窮”概念來重新定義“微積分”,與當時全世界的數(shù)學家們一道,展開了對“數(shù)學分析”進行“嚴格化”的工作??挛靼选盁o窮小量”視為“以0為極限的變量”,充分地解釋了“無窮小量”為什么有時可以不把它當為“零”,有時候又可以當成“零”。那是因為,“無窮小量”是一個“變量”,它在變化的過程中,它的值雖然不直接等于零,但它變化的趨向卻在無限地接近于零,所以人們有時把“無窮小量”直接“等于0”來處理,也不會產(chǎn)生錯誤的結果。

1821年,柯西提出了定義“極限”的方法,將“極限過程”用“不等式”來描述,柯西為此首先成功地建立了“極限論”,也是在這一刻起,“無窮小量”被徹底的馴服了。
在“極限”的概念下,“曲線”與“直線”可以相互轉(zhuǎn)化,也就是說,“直線”和“曲線”在“微分”中被等同起來。人們借助于“極限”的思想方法,解決了大量用“初等數(shù)學”無法解決的問題?!皵?shù)學分析”中的一系列重要概念,如“函數(shù)”的“連續(xù)性”、“導數(shù)”以及“定積分”等等都是借助于“極限”來定義的。如果要問:“數(shù)學分析”是一門什么學科?那么可以概括地說:“數(shù)學分析”就是用“極限”思想來研究“函數(shù)”的一門學科。
在今天,所有的“微積分”教材里的關于“極限”、“連續(xù)”、“導數(shù)”、“收斂”等概念的定義,都是柯西等人等人定義的。他利用“中值定理”首先嚴格證明了“微積分基本定理”。通過柯西等人的艱苦工作,“數(shù)學分析”的基本概念得到了“嚴格化”。使得“微積分”不再依賴于“幾何概念”、“運動”和“直觀了解”而發(fā)展成“現(xiàn)代數(shù)學”中最為基礎和龐大的數(shù)學學科。

柯西一生的數(shù)學成就是無比輝煌的,他所著的“柯西全集”共有27卷,其論著有800多篇,在數(shù)學史上,他的“學術成果數(shù)量”僅次于歐拉。他的名字與許多“定理”、“準則”一起銘記在今天的許多教材之中。但他一生中最為引人矚目的數(shù)學成果,無疑就是用“極限”的概念定義了“無窮小量”,使得“微積分”徹底擺脫了底層邏輯混亂的困擾,帶領“近代數(shù)學”成功地走出了“第二次數(shù)學危機”,使近代數(shù)學走上了健康發(fā)展的康莊大道。
1857年5月23日,偉大的數(shù)學家柯西突然去世,享年68歲,臨終前,他說的最后一句話是:
“人總是要死的,但是,他們的功績永存?!?/p>