关于小量的不同阶

我们会看到,在计算过程中,我们必须处理各种小量, 而且它们小的程度并不一样。

我们还要学会,在什么情况下可以认为小量已经小到足以忽略。 一切都取决于相对而言有多小。

在制定任何规则之前,先想几个熟悉的例子。 一小时有 $60$ 分钟,一天有 $24$ 小时,一周有 $7$ 天。 因此一天有 $1440$ 分钟,一周有 $10080$ 分钟。

显然,$1$ 分钟和整整一周相比,是一段非常小的时间。 事实上,我们的祖先甚至认为它和一小时相比也很小, 于是称它为“一小分”,意思是一个很小的部分,也就是一小时的六十分之一。 后来他们需要更小的时间划分,就把每一分钟再分成 $60$ 个更小的部分。 在伊丽莎白女王时代,这些部分被叫作“第二小分”, (也就是二阶小量)。现在我们把这些二阶小量叫作“秒”。 可是很少有人知道它们为什么这样叫。

既然一分钟和一整天相比已经这么小, 那一秒相比之下又该小多少呢!

再想想一枚四分之一便士和一枚金镑相比: 它的价值勉强才超过 $\frac{1}{1000}$。 多一枚或少一枚四分之一便士,和一枚金镑相比实在无关紧要, 当然可以把它看作一个量。但是把一枚四分之一便士同 £$1000$ 相比: 相对于这笔更大的钱,它的重要性不会超过 $\frac{1}{1000}$ 个四分之一便士相对于一枚金镑的重要性。 哪怕是一枚金币,在百万富翁的财富里也只是一个相对可忽略的量。

现在,如果我们选定某个数值分数,把它作为某个用途下所谓“相对小”的比例, 那么就很容易说出更高阶的小量。比如,为了计时, 如果把 $\frac{1}{60}$ 称为一个分数, 那么 $\frac{1}{60}$ 的 $\frac{1}{60}$, 也就是一个分数的分数, 就可以看作一个二阶小量。*

*数学家们说二阶“量级”(也就是大),可他们真正想说的其实是二阶小量。 这会让初学者非常困惑。

又比如,如果为了某个用途,我们把 $1$%(也就是 $\frac{1}{100}$) 看作一个分数,那么 $1$% 的 $1$% (也就是 $\frac{1}{10,000}$)就是二阶小分数; 而 $\frac{1}{1,000,000}$ 就是三阶小分数, 因为它是 $1$% 的 $1$% 的 $1$%。

最后,假设为了某个非常精密的用途, 我们把 $\frac{1}{1,000,000}$ 看作“小”。比如,一只一流的精密计时器, 如果一年内快慢不能超过半分钟,它的走时精度就必须达到 $1$ 份对应 $1,051,200$ 份的精度。现在,为了这样的用途, 如果我们把 $\frac{1}{1,000,000}$(一百万分之一)看作小量, 那么 $\frac{1}{1,000,000}$ 的 $\frac{1}{1,000,000}$, 也就是 $\frac{1}{1,000,000,000,000}$(一万亿分之一), 就是二阶小量,相比之下完全可以丢开不管。

于是我们看出,一个小量本身越小,相应的二阶小量就越可以忽略。 因此我们知道,只要一阶小量本身取得足够小, 我们在任何情况下都有理由忽略二阶、三阶(或更高阶)小量

不过必须记住,如果小量在表达式中作为因子, 还要乘以某个别的因子,那么当另一个因子本身很大时, 这个小量可能就变得重要了。哪怕是一枚四分之一便士, 只要乘上几百,也会变得重要。

在微积分里,我们用 $dx$ 表示 $x$ 的一小点。 像 $dx$、$du$、$dy$ 这样的东西叫作“微分”, 分别是 $x$、$u$ 或 $y$ 的微分。 [你它们时读作 dee-eksdee-youdee-wy。] 如果 $dx$ 是 $x$ 的一小点,而且它本身相对来说很小, 这并不意味着 $x · dx$、$x^2\, dx$ 或 $a^x\, dx$ 这样的量也可以忽略。 但是 $dx × dx$ 可以忽略,因为它是二阶小量。

一个非常简单的例子可以说明这一点。

把 $x$ 想成一个可以增加一小点的量,增加后变成 $x + dx$, 其中 $dx$ 就是增长时添上的小增量。 它的平方是 $x^2 + 2x · dx + (dx)^2$。 第二项不可忽略,因为它是一阶量;第三项则是二阶小量, 因为它是 $x^2$ 的一小点的一小点。 比如,如果数值上把 $dx$ 看作 $x$ 的 $\frac{1}{60}$, 那么第二项就是 $x^2$ 的 $\frac{2}{60}$, 而第三项就是 $x^2$ 的 $\frac{1}{3600}$。 最后这一项显然没有第二项重要。 但如果我们进一步把 $dx$ 只看作 $x$ 的 $\frac{1}{1000}$, 那么第二项就是 $x^2$ 的 $\frac{2}{1000}$, 而第三项只有 $x^2$ 的 $\frac{1}{1,000,000}$。

从几何上可以这样画出来: 画一个正方形(图 1),把它的边长看作 $x$。 现在假设这个正方形每个方向都添上一小段 $dx$,于是变大了。 放大的正方形由原来的正方形 $x^2$、上方和右方的两个长方形, 以及右上角那个小正方形组成。两个长方形的面积各为 $x · dx$, 合起来就是 $2x · dx$;右上角的小正方形面积是 $(dx)^2$。 在 图 2 中,我们把 $dx$ 取成 $x$ 的一个相当大的部分,大约是 $\frac{1}{5}$。 但假设我们只取 $\frac{1}{100}$,大约就是用细笔画出的一条墨线的厚度。 那么那个角上的小正方形面积只有 $x^2$ 的 $\frac{1}{10,000}$, 实际上就看不见了。显然,只要我们认为增量 $dx$ 本身足够小, $(dx)^2$ 就可以忽略。

我们再看一个比喻。

假设一位百万富翁对他的秘书说: 下周我进账的任何钱,都给你一小部分。 又假设秘书对他的男孩说:我拿到的钱,也给你一小部分。 假设两次所说的比例都是 $\frac{1}{100}$。 那么如果百万富翁先生下周收到 £$1000$, 秘书就会收到 £$10$,男孩则会得到 $2$ 先令。 十英镑和 £$1000$ 相比是个小量; 但两先令确实是一个小小量,已经是相当次一级的量了。 如果这个比例不是 $\frac{1}{100}$,而是定为 $\frac{1}{1000}$, 差距又会怎样呢?那时,百万富翁先生拿到 £$1000$, 秘书先生只会得到 £$1$,而男孩拿到的还不到一枚四分之一便士!

机智的斯威夫特院长* 曾写道:

于是,博物学家观察到,跳蚤
身上还有更小的跳蚤叮它。
这些小跳蚤又被更小者咬,
如此继续,无穷无尽。" 

*On Poetry: a Rhapsody(第 20 页),1733 年印行,通常被误引。

一头牛也许会为普通大小的跳蚤烦恼, 那是一阶小量的小生物。 但它大概不会操心跳蚤身上的跳蚤; 那是二阶小量,可以忽略。 即使有一罗跳蚤身上的跳蚤,对牛来说也算不上什么。


这里的 billion 按旧英式英语表示 $10^{12}$, 也就是现代用法中的 trillion。


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