比方说,在非数学系的“高等数学”课上,当老师讲到极限的概念时,尽管教科书也可能给出了严格定义,但是这个定义不容易理解,用这个定义来证明一个函数的极限为几相当困难,所以他一般会这样形象地描述函数 f(x) 当自变量 x 趋向于 a 时的极限等于 L :当自变量 x 的值越来越靠近数 a 时,对应的函数值 f(x) 将越来越靠近数 L 。事实上这种描绘不太精确,因为它没有给出“越来越靠近”这种含糊说法的精密数学刻画。但是对于一般的大学理工科学生,可能这就够了(当然对按照高标准训练杰出人才是不够的),因为即便对极限定义不甚了解,计算通常函数的极限往往不费吹灰之力。我教美国大学生的初等微积分时,会告诉学生们一个简单的“极限计算法”:如果自变量 x 趋向的这个数 a 属于函数 f(x) 的“自然定义域”,则对应的函数极限就等于函数在 a 的值。如果上述第一步的假设不对,则利用初等代数因式分解等技巧,消去某个“奇异因子”,得到原先函数的一个新的表达式,使得 a 属于这个为求极限的等价表达式的自然定义域,因此极限值就是这个最后表达式的函数值。这是一个相当“机械化”的计算过程,不需要太好的脑子,更不需要长时间的绞尽脑汁,所以大部分理工科学生学得轻松,南京大学化学系的乙类高等数学课也不会把更精通普通化学的同学们吓破了胆。
兹举一例。函数 (x-1)/(x+1) 当 x 趋向于 2 时的极限等于 1/3 ,因为 2 属于这个有理函数的自然定义域。但是如何求函数 (x^2-1)/(x+1) 当 x 趋向于 -1 时的极限?如果让 x = -1 ,则对应的函数值根本就没有定义,因为这导致 0/0 计算不出的情形!就是说,我们上述方法中的第一步就工作不了了。现在我们需要简单的代数恒等式 x^2-1 = (x+1)(x-1) ,这样原来的函数本质上就是 (x+1)(x-1)/(x+1) = x-1 ,而化简得到的最后函数表达式 x-1 当 x = -1 时可以赋值,其值为 -2 ,因而我们也计算出了稍微复杂一点情形时的函数的极限。
这些统统都没有问题,对考上堂堂南京大学数学系的我们根本不在话下。且慢,不要忘了,我们上的不是难度等于美国“初等微积分”的“高等数学”课,而是“数学分析”课。我们用的教材当然不是几十年间不断重印的杰出数学教育家樊映川(1900-1967)先生所著的《高等数学》,而是吉林大学数学系教授江泽坚(1921-2005)等人专为中国综合性大学数学系学生撰写的两卷本《数学分析》。我还记得这门课程的第一堂课内容是“充分条件”“必要条件”以及“充分必要条件”或简言之的“充要条件”。它们的定义如下:如果性质 A 成立就推出性质 B 成立,则称性质 A 是性质 B 的充分条件,或者称性质 B 为性质 A 的必要条件。如果性质 A 成立当且仅当性质 B 成立,则称性质 A 是性质 B 的充要条件。我教书时常打比方。美国人喜养宠物,我就拿狗举例,学生一听就懂。如果一只动物是狗,那么它有四条腿。这里“动物是狗”为性质 A ,“有四条腿”为性质 B ,因此“动物是狗”是“有四条腿”的充分条件,但它不是后者的必要条件,因为宠物猫也有四条腿。这些听上去很简单,但我记得合上数学分析课大教室内的一百多个学生中,大概有三分之一还要想半天才能分辨清楚哪个应叫“充分”哪个应是“必要”。