物理竞赛之后,林小镜的生活回到了正常的轨道:上课、作业、考试、伪装。一切都在控制之中——直到她开始自学大学数学。
说“开始”不太准确。她其实从小学就在自学了——林建国书架上的《高等数学导论》《微分几何入门》《拓扑学基础》都是大学甚至研究生水平的教材。她一直在断断续续地读,但从来没有系统性地、一本一本地、从第一章到最后一章地“学完”过。因为小学和初中的学业占用了她大部分时间,她只能在周末和寒暑假“挤”时间学。
但初一下学期的期末考结束后,她有了一个完整的暑假。两个月的自由时间,没有任何考试压力,没有任何伪装需求(除了在家需要稍微注意,但比在学校轻松得多)。她决定利用这个暑假,系统地学完大学数学的核心课程。
她列了一个书单:
1.《数学分析》(上下册)——这个世界的版本,相当于原世界的“微积分”但更严谨
2.《线性代数》——矩阵、向量空间、线性变换
3.《解析几何》——空间中的点、线、面、曲线、曲面
4.《常微分方程》——微分方程的解法、存在唯一性定理
5.《复变函数》——复数域上的函数、柯西积分定理、留数定理
6.《实变函数》——测度论、勒贝格积分
7.《泛函分析》——函数空间、算子理论
8.《抽象代数》——群、环、域、模
9.《拓扑学》——点集拓扑、代数拓扑初步
10.《微分几何》——流形、张量、曲率
这些书,大部分她已经翻过前几章了。但“翻过”不等于“学过”。她的标准是:读完每一章后,能独立推导出所有定理的证明,能做完所有习题,能用自己的话复述核心概念。这个标准,她在原世界学高中数学时就用过,效果很好。在这个世界,因为她的“异常能力”,她可以更快地达到这个标准——但她需要验证,到底有多快。
她决定用《数学分析》上册做测试。这本书大约400页,内容包括:实数理论、极限与连续、导数与微分、不定积分、定积分、级数。在原世界,这是大学数学系第一学年的课程,通常需要两个学期、几百个学时才能学完。她给自己设定的目标是:两周内学完上册,达到“独立推导+做完习题”的标准。
她开始学。
第一天:实数理论。戴德金分割、确界原理、柯西收敛准则。这些概念她在原世界学过——不是系统学过,是在自学微积分的时候接触过。但那时候她没有深入理解“实数是什么”这个根本问题,只是把实数当作“数轴上的点”来用。这个世界的教材从实数理论开始讲,要求读者从公理出发,严格地定义实数。她读得很慢——不是因为读不懂,而是因为每一个定理的证明她都要自己推一遍。确界原理的证明、单调有界定理的证明、区间套定理的证明、有限覆盖定理的证明——这些定理之间的等价关系,她花了两个小时才完全理清。
第二天:极限。数列极限、函数极限、无穷小量、无穷大量。极限的ε-δ语言是数学分析的核心,也是很多学生觉得难的地方。林小镜在原世界学过极限——高中微积分中接触过,但高中不要求严格的ε-δ证明。她需要从头学起。她读了一遍定义:“对于任意ε>0,存在δ>0,使得当0<|x-x?|<δ时,|f(x)-A|<ε。”然后她在草稿纸上写下了这个定义,在脑子里画了一幅图:x?附近的一个小邻域,映射到A附近的一个小邻域。她理解了。然后她做了课后习题:用ε-δ语言证明lim(x→2) x2 = 4。她写下了证明过程:对于任意ε>0,取δ = min(1, ε/5),当0<|x-2|<δ时,|x2-4| = |x-2||x+2| < δ·(|x|+2)。因为|x-2|<1,所以|x|<3,|x|+2<5,所以|x2-4| < 5δ ≤ ε。证毕。她做对了。这道题,在原世界她可能需要二十分钟才能写出来,因为需要理解ε-δ的逻辑。现在,她用了不到五分钟。不是因为她的数学能力变强了——她的数学能力本来就强。而是因为她的“理解速度”变快了。她看到ε-δ定义,脑子里自动生成了几何直观;看到证明题,脑子里自动生成了证明路径。不需要“想”,不需要“试”,不需要“犹豫”。就像直觉。
第三天到第五天:导数与微分。导数的定义、求导法则、高阶导数、隐函数求导、参数方程求导。这些内容她在原世界高中的微积分课程中学过,但高中的深度不如大学。大学的要求是:从极限定义出发,严格证明求导法则。比如乘积法则的证明:(uv) = uv + uv。她写下了证明过程:(uv)(x) = lim_{h→0} [u(x+h)v(x+h) - u(x)v(x)]/h = lim_{h→0} [u(x+h)v(x+h) - u(x)v(x+h) + u(x)v(x+h) - u(x)v(x)]/h = lim_{h→0} v(x+h)·[u(x+h)-u(x)]/h + u(x)·[v(x+h)-v(x)]/h = v(x)u(x) + u(x)v(x)。因为v在x处连续,所以lim_{h→0} v(x+h) = v(x)。她写得很流畅,不需要查书,不需要思考。这些知识已经刻在她的脑子里了。
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