超实数系*R的新特点是什么
首先,让我们这样假定:把超实数系*R(读“星R”)按照数的大小顺序安放在OX坐标轴上,构建一条“超实数轴”(所谓超实数“连续统)。此刻,这一切都是在我们的想象中完成的。另外,如何比较超实数的大小顺序,在此我们暂时省略,不去细究。
我们知道,超实数系*R是原有实数系R的一种”扩大“(Enlargement)。在超实数系*R里面,新产生的超实数x与原有实数r相互”混杂“在一起,现在,我们引入一个非常重要的概念(或定义):如果超实数x(假定其有限)与原有实数r相差是”无穷小“(不论正或负),则称该实数r是超实数x的”标准部分“(Standardpart),记为:
(1) st(x)= r
这是一个重要的基本概念,我们必须牢固掌握。现在问:对于任意的一个有限超实数x而言,它可能有几个“标准部分”呢?首先,我们可以断定,对于任意的有限超实数x而言,其标准部分只能是唯一的(如果有的话)。因为,假定r与s都是超实数x的标准部分,那么,┃x-r┃与┃x-s┃都是无穷小,从而导致r与s相差也必是无穷小(何故也?),于是,只有一种可能性:
┃r-s┃=0
也就是说:r= s。
我们再问:有限超实数x是否必然有一个标准部分?也就是说,对任意有限超实数x而言,是否都能进行”st”运算,求其标准部分st(x)?这是不能回避的重要问题。任给一个有限的超实数x,考虑小于它的一切实数所构成的集合A。该集合A内部的任何两个实数之间的所有实数必然也属于A,所以集合A必然是一个“区间”。根据实数系的“完备性”(此处不深究),那么,该集合A必然呈现(-∝,r)或(-∝,r]两种形态,其中r为某个原有的实数。实际上,这个实数r就是超实数x的标准部分,这是由于在r与x之间不可能再存在任何实数t,使得r<t(因为t∉A),这将导致x≤t,因为,按照上述假定,t必须小于等于r。因此,x与r相差为“无穷小”,即st(x)= r。
由此,我们已经能够猜出:如果x≈ r(表示两者相差一个“无穷小”),此处r是x的标准部分,我们就说:”x无限趋近于r“。在超实数系*R里面,这种说法就不算“废话”了。
我们考虑函数f(x)在实数r处的极限问题,即要求当x≈r,有f(x)≈L(某个固定的实数)即可。也就是说,只需要求:st(x)=r⇒st(f(x))=L,这就表示函数f(x)在r处的“极限”是L。由此不难想象:微积分的教学(限量词的“绕口令”)是如何得以简化了。也就是说,多个限量词(如:∀∃∀)的问题终于不见了。教师讲课也随便多了,比如说:当x无限地趋向于实数r时,函数f(x)无限接近极限L,等等。在超实数系*R里面,这些直观的说法都是允许的,“言之有物”。这里的问题是,函数f(x)的定义域不知不觉地扩大到超实数系*R里面去了。这是怎么搞的?对于超实数,函数f(x)是怎样定义的?这就要深入到所谓“非标准微积分”的研究领域了。且听下回分解也。