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Reto: Demostrar una contradicción en Leibniz ' notación diferencial

Quiero saber si el diferencial de Leibniz notación de la realidad conduce a contradicciones - estoy empezando a pensar que no.

Y sólo para eliminar la mayoría de los que comúnmente se mostró 'dificultad':

Para la curva de nivel $f(x,y)=0$ en el avión que tenemos $$\frac{dy}{dx}=-\frac{\dfrac{\partial f}{\partial x}}{\dfrac{\partial f}{\partial y}}$$ If we were to "cancel" the differentials we would incorrectly derive $\frac{dy}{dx}=-\frac{dy}{dx}$. Why does this not work? Simple: The "$\partial f$" in the numerator is a response to the change in $x$, whereas the "$\partial f$" in the denominator is a response to the change in $$ y. Son números diferentes, y por lo tanto no puede ser cancelada.

Relacionado: consultar la respuesta a esta pregunta anterior.


La otra parte se ha movido a un nuevo post aquí.

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String Puntos 8937

El debate ha sido muy interesante! Escribí acerca de la notación de Leibniz en mi Tesis de Licenciatura en 2010 de la lectura a través de las principales partes de la Bos de 1974 del Doctorado en los diferenciales de orden superior en la Leibniziana de cálculo. Creo que Bos está mal en un punto. Suponiendo una variable en el Bos llamado progresión aritmética no es necesario - sólo conveniente! Voy a responder a la de abajo.

Leibniz del diferenciales

Leibniz desarrolló su diferenciales, en primer lugar, a partir de una intuición geométrica - a pesar de que él volvió a examinar la realidad de esta idea una y otra vez. En mis palabras, esta idea puede resumirse como:

Una curva puede ser pensado como un polígono de infinitos infinitamente pequeño lados $ds$. Cada una de las $ds$ es un infinitesimalmente pequeño segmento de línea recta que está en la parte de la curva y (paradójicamente) la tangente a ella en el mismo tiempo. La recopilación de la $ds$ a un segmento de línea recta $s=\int ds$ esto constituirá la longitud de la curva. Expresan una curva por una relación geométrica entre las coordenadas de los segmentos de línea $x$ $y$ se podría considerar cada una de las $ds$ como la hipotenusa de un triángulo rectángulo con las piernas $dx$$dy$, de modo que $dx^2+dy^2=ds^2$.

Esto es sólo para decir que $dx,dy$ $ds$ fue pensado como geométricas y mutuamente dependend entidades - nunca se consideró sólo los números como podemos permitir que las funciones de hoy en día.

Sólo destacar cómo geométrica: la función de hoy en día se expresa por la fórmula $f(x)=x^2$ sería algo como $a\cdot y=x\cdot x$ donde $a,y$ $x$ donde consideran a todos los segmentos de la línea, de modo que ambos lados de la ecuación constituiría un área en Leibniz.

La curva de nivel ejemplo

En las fracciones $\frac{\partial f}{dx}$ $\frac{\partial f}{dy}$ $\partial f$'s en las dos fracciones que no están relacionados porque:

  • No tenemos $\partial f,\partial x$ $\partial y$ mutuamente dependend entidades geométricas debido a la razón por la que ya dimos el primer $\partial f$ es el cambio en $f$ cuando se mueve en el $x$-dirección del vector $(dx,0)$, mientras que el segundo $\partial f$ corresponde a moverse por el vector $(0,dy)$. Por lo que son desiguales, aunque infinitamente pequeño ...
  • Aunque hemos tenido algunos $df$ mutuamente dependend a $dx$ $dy$ esto, naturalmente, tiene que ser el cambio en $f$ cuando viajes el vector $(dx,dy)$ y por lo tanto diferente de la $\partial f$'s descrito antes.

La regla de la cadena ejemplo

Ya que consideramos que los diferenciales de orden superior el trabajo de Bos es relavant aquí: Había habido tal cosa como un derivado $z=\frac{dy}{dv}$ en Leibniz del tiempo, el diferencial de la que debería leer $$ dz=d\frac{dy}{dv}=\frac{dy+ddy}{dv+ddv}-\frac{dy}{dv}=\frac{dv\ ddy-dy\ ddv}{dv(dv+ddv)} $$ Ahora, desde la $ddv$ es infinitesimalmente pequeño en comparación con $dv$ podemos saltar $ddv$ en el soporte y simplemente escribir $dv$ en lugar de $(dv+ddv)$. Por lo tanto, tenemos $$ \frac{dz}{dv}=\frac{dv\ ddy-dy\ ddv}{dv^3}=\frac{ddy}{dv^2}-\frac{dy\ ddv}{dv^3} $$ Tenga en cuenta que $ddy$ también puede ser escrito como $d^2 y$. Así que el segundo orden derivados de $y$ con respecto al $v$ es igual a $\frac{d^2 y}{dv^2}$ menos algún extraño fracción $\frac{dy\ d^2 v}{dv^3}$ que sólo puede ser descartado si es cero. Esto sólo ocurre si $dy=0$ o $d^2 v=0$. La elección de $d^2 v$ idéntico a cero hace el truco y renders $dv$ constante.

Supongamos ahora que $d^2 v\equiv 0$. Entonces para el ejemplo de $y=u=v^2$ vemos que $du=2v\ dv$ y, además, $ddu=2v\ ddv+2\ dv^2=2\ dv^2$ donde la última igualdad se debe a nuestra elección que $ddv$ es idéntica a cero. Por lo tanto vemos que la derivada de $w=\frac{dy}{du}$ será dado como $$ \frac{ps}{du}=\frac{d^2 y}{du^2}-\frac{dy\ ddu}{du^3} $$ donde la última fracción está lejos de ser cero, como puede ser reescrito - tomando nota de que $y=u\implies dy=du$ y $\frac{dv}{du}=\frac{1}{2v}$ - para obtener $$ \requieren{cancel} \frac{\cancelar{dy}\ ddu}{\cancelar{du}\cdot du^2}=\frac{2\ dv^2}{du^2}=\frac{1}{2^2} $$ Esto muestra que, asumiendo $\frac{d^2 y}{dv^2}$ a ser el de segundo orden derivados de $y=v^2$ con respecto al $v$ en el sentido moderno hace $\frac{d^2 y}{du^2}$ difieren por $\frac{1}{2v^2}$ de los de segundo orden derivados de $y=u$ con respecto al $u$. Ahora ya sabemos que $y=u$ tenemos $w=\frac{dy}{du}=1$ e lo $\frac{dw}{du}=0$. Por lo tanto, debemos tener $$ \frac{d^2 y}{du^2}-\frac{1}{2^2}=0 $$ en este caso mostrando que $\frac{d^2 y}{du^2}=\frac{1}{2v^2}$. Así que con la elección de $y=u=v^2$ $ddv\equiv 0$ la ecuación $$ \frac{d^2 y}{du^2}\cdot\left(\frac{du}{dv}\right)^2=\frac{d^2 y}{dv^2} $$ puede ser verificados satisfactoriamente la aplicación de ese $\frac{du}{dv}=2v$ desde entonces tenemos $$ \frac{1}{2^2}\cdot(2v)^2=2 $$ lo que es realmente cierto. Esto NO es una coincidencia!

Conclusión

Los cálculos muestran que Julian Rosen muy atractivo ejemplo de error en el método de la Leibniziana cálculo parece ser un malentendido acerca de lo que se entiende por los conceptos de $d^2 y$ y el oculto, pero importante, adicional variables$ddv$$ddu$. Esto proporciona detalles específicos con respecto a los comentarios formulados por los user72694 a continuación la respuesta de Julián.

Sin embargo, demostrando que la notación de Leibniz se nunca producir conclusiones falsas cuando se maneja correctamente es una historia completamente diferente. Este es supuestamente lo que Robinson logró hacer, pero debo admitir que no he leído y comprendido que la teoría de mí mismo.

Mi tesis de Licenciatura enfocado principalmente en la comprensión de cómo el método fue aplicado por Leibniz y sus contemporáneos. Tengo muchas veces el pensamiento acerca de los fundamentos, pero, principalmente, de un 17 en la perspectiva del siglo.

Comentario en Bos del trabajo

En la página 31 de su tesis, Bos argumenta que el límite $$ \lim_{h_1,h_2\rightarrow 0}\frac{[f(x+h_1+h_2)-f(x+h_1)]-[f(x+h_1)-f(x)]}{h_1 h_2} $$ sólo existe si $h_1=h_2$, lo que, a continuación, hace que este límite de la igualdad de $f''(x)$. Pero que en realidad no es del todo cierto. El $x$-diferencias $h_1$ $h_2$ no tiene que ser igual. Es suficiente para que ellos convergen a ser igual, que es una sutil, pero importante, de la variación de la configuración. Debemos exigir que $h_1$ $h_2$ converge a cero en un mutuo dependend de la moda, de manera que $$ \lim_{h_1,h_2\rightarrow 0}\frac{h_2}{h_1}=1 $$ Con esta configuración el límite de la fracción grande desde antes de que pudiera existir, pero no es necesario que la igualdad de $f''(x)$. Desde $h_1,h_2$ jugar el papel de $dx$'s esto equivale a que $dx_1\neq dx_2$, de modo que $ddx=dx_2-dx_1\neq 0$ a pesar de ser infinitamente menor que el $dx$'s.

Esto significa que, de hecho, es posible imitar la noción histórica de $dx$ ser constante (y por lo tanto $x$ en progresión aritmética) directamente por los modernos límites.

Extras con respecto a la OP respuesta

Está bastante en derecho de que los diferenciales pueden ser correctamente manipulados en la ecuación $$ \frac{d^2}{dv^2}\big(y(u(v))\big)=y"(u(v))\cdot u'(v)^2+y'(u(v))\cdot u"(v) $$ bajo el supuesto de que $ddv\equiv 0$.

Hay, sin embargo, en un sentido más obvio y menos restrictiva opción para salir de las progresiones de las tres variables $u,v$ $y$ no especificado, y, sin embargo, para conectar la notación de una manera significativa a los estándares modernos:

Introducir una cuarta variable $t$ en progresión aritmética (es decir,$ddt\equiv 0$). Uno podría pensar en él como una variable de tiempo, de modo que $u(t),v(t)$ $y(t)$ son coordinar las funciones de algunos vector de valores de la función. Entonces Julian Rosen de la ecuación se transforma a $$ \frac{\left(\frac{d^2 y}{dt^2}\right)}{\left(\frac{du^2}{dt^2}\right)}\cdot\left(\frac{\left(\frac{du}{dt}\right)}{\left(\frac{dv}{dt}\right)}\right)^2=\frac{\left(\frac{d^2 y}{dt^2}\right)}{\left(\frac{dv^2}{dt^2}\right)} $$ y desde $dt$ está en progresión aritmética $y''(t)=\frac{d^2 y}{dt^2}$, de modo que este puede ser escrito en notación moderna como $$ \frac{y"(t)}{u'(t)^2}\cdot\left(\frac{u'(t)}{v'(t)}\right)^2=\frac{y"(t)}{v'(t)^2} $$ que se comprueba fácilmente ser la correcta. Este es probablemente el más simple de la cuenta, pero sólo se utiliza , pero no dan un claro ejemplo de la necesidad de la elección de la progresión de las variables. Creo que mi primera cuenta de que mejor.

8voto

jwarzech Puntos 2769

La esencia de la OP explicación de por qué la "cancelación" de $\partial f$'s no debe ser permitido (y no de trabajo) es correcta, pero algo más se puede decir.

La derivada parcial $\partial f/\partial x$ es la tasa a la que $f$ cambios con respecto a la variación en $x$, pero manteniendo y constante. Del mismo modo, la definición de $\partial f/\partial y$ implica una tasa de cambio mientras que la celebración de $x$ constante.

La manipulación de la $dx$ $dy$ símbolos por separado (en lugar de como un simple derivado $dy/dx$) produce resultados razonables:

$$ \frac{\partial f}{\partial y} \;dy + \frac{\partial f}{\partial x} \;dx = 0 $$

de acuerdo con la premisa subyacente de que $x,y$ están restringidos a una curva de nivel:

$$ f(x,y) = \text{constant} $$

Este sensato de cálculo, a pesar de que aparece como un superficial de la manipulación de símbolos, que se enseña en el primer cálculo implícita de diferenciación, por lo que da cuenta de por qué esto debería ser permitida, mientras que "la cancelación de la" a $\partial f$'s no debe. Allí está escondida la premisa de que $x$ se mantiene constante cuando se toma como límite de $\partial f/\partial y$, y del mismo modo la celebración de $y$ constantes cuando tome $\partial f/\partial x$. La combinación de un cambio en $x$ uno en $y$ es correctamente realizado por diferenciación implícita, de someter sus mutuo cambios a una restricción que $f$ se mantiene "nivel".

Añadido: Una buena notación es útil, al menos, como mucho de lo que se oculta o se suprime a partir de su definición como por lo que sugestivamente expresa. Si la notación es profundamente definido, cualquier contradicción que surge a partir de un uso adecuado tiene la culpa en la teoría subyacente, en lugar de la notación de sí mismo.

Por supuesto, en ocultar algunas partes de la definición, notación se presta a un "abuso". Como vemos arriba, el pensamiento de los instrumentos derivados como "fracciones", literalmente, es sugerido por la notación, y, a veces, "permitido", a veces no.

Una relacionada con el escollo que tienen que ver con primeras derivadas parciales es su conmutatividad. Todos "sabemos" que bajo suave suavidad supuestos:

$$ \partial (\partial f /\partial x)/\partial y = \partial (\partial f /\partial y)/\partial x $$

Sin embargo, esto depende de los par $x,y$ siendo las variables independientes (la celebración de uno fijo, mientras que la variación de la otra). Una vez traté de conmutar primeros parciales, mientras que la mezcla de coordenadas Cartesianas y coordenadas polares en la enseñanza de una clase, y rápidamente consiguió una contradicción!

Consideremos por ejemplo el polinomio $f = x^2 + y^2 = r^2$, tanto en coordenadas Cartesianas y coordenadas polares. Ahora $\partial (\partial f/\partial \theta)\partial x$ es idéntica a cero, sino $\partial (\partial f/\partial x)\partial \theta$ es no!

Afortunadamente fui capaz de aprender de mi error (no estoy seguro de cuánto los estudiantes se beneficiaron de otros que de valor de entretenimiento), y más tarde me ayudó a apreciar por qué la forma de la función de los derivados no conmutan en general.

Así que, incluso cuando las notaciones sugestivamente llevarnos por el camino equivocado, puede ser una buena lección para ser encontrado.

5voto

Himanshi Puntos 11

Notación de Leibniz para la derivada segunda sugiere una versión de la regla de la cadena: $$ \frac{d^2y}{du^2}\left(\frac{du}{dv}\right) ^ 2 = \frac {d ^ 2y} {dv ^ 2}. $$ Esto no tiene en general: por ejemplo $y=u=v^2$.

3voto

mweiss Puntos 6697

Creo que la pregunta está mal planteado (o, lo que es lo mismo, hace algunos supuestos incorrectos).

La notación no conduce a contradicciones. Nunca. En cualquier disciplina. Eso es porque la notación no valer nada. La notación no tiene ningún valor de verdad. La notación consiste en un conjunto de símbolos para la grabación de las cosas, y un conjunto de reglas para la manipulación de los símbolos. El poder de Leibniz del notaciones es, precisamente, que cuando esas reglas se siguen adecuadamente terminamos con fórmulas que parecen familiar fracción de cancelación de leyes, etc., lo que hace que sean más fáciles de recordar y conceptualmente fáciles de entender. Si la notación de Leibniz es mal utilizado, entonces, sí, las contradicciones aparentes pueden surgir -, pero eso no es un defecto en la notación, sino más bien una falla en los que el mal uso de la notación.

Mirando por encima de todas las respuestas en este hilo, incluyendo el ejemplo de la OP, usted va a encontrar el mismo tipo de dialéctica y otra vez: "Algunas personas escriben < fórmula >, que parece una contradicción o incoherencia, pero eso es sólo porque < fórmula > realmente significa < fórmula >." Sí, precisamente. Si se utiliza la notación equivocado usted obtener respuestas incorrectas; si se utiliza la notación correctamente, obtendrá respuestas correctas. Si usted consigue un resultado que usted sabe que es falsa, usted puede estar seguro de que la notación ha sido mal utilizada.

Ahora lo que la gente en general, yo creo que, cuando la crítica de Leibniz, la notación como "contradicciones" es que a algunos de mis-usos de la notación son muy tentadores, y las personas son propensas a hacer de ellos. Esto puede ser cierto, aunque yo iría en contra de que otras notaciones (primos, los puntos, lo que sea) también tienen su "atractivo molestias". Pero que es un problema psicológico, que tiene que ver con la tendencia humana a buscar atajos y percibir aparentemente evidente patrones que no están realmente allí; la culpa no reside en nuestro d's, sino con nosotros mismos.

3voto

La notación puede ser asociado estrechamente con las contradicciones. Un buen ejemplo histórico proviene de la obra de Nieuwentijt que fue contemporáneo de Leibniz. Nieuwentijt Leibniz criticó el enfoque y la propuesta de su propia notación, donde no sólo son de primer orden de infinitesimals $\frac{r}{\infty}$ (donde $r$ es un número normal), mientras que el producto de dos de estas se postula a desaparecer. Él escribió un libro basado en este enfoque. Nieuwentijt la notación funciona para algunos sencillos de cálculo de los problemas tratados en su libro. Como sabemos, en retrospectiva, no puede ser una base para el cálculo, porque viola el Leibniziana de la ley de la continuidad: lo que tiene éxito por lo finito, tiene éxito también para el infinito, y viceversa. Es decir, la aplicación de las normas habituales de álgebra para Nieuwentijt del sistema uno rápidamente se ejecuta en las contradicciones.

Una supuesta "contradicción" en Leibniz que ha sido persistente en la literatura, al menos desde 1734 (fecha de publicación de George Berkeley El Analista) es la afirmación de que $dx$ se supone que ser distinto de cero en el inicio de la operación, y cero al final del cálculo, como por ejemplo, cuando uno quiere escribir $2x+dx=2x$ al final del cálculo de $y=x^2$. La supuesta contradicción lógica se puede resumir en la notación moderna de la siguiente manera: $(dx\not=0)\wedge(dx=0)$.

Esta persistente reclamo de contradicción lógica, sin embargo no tiene ninguna base como Leibniz clara y reiteradamente en sus escritos que él está trabajando con un generalizado de la relación de la "igualdad" (en lugar de la igualdad "en la nariz"). En particular, Leibniz nunca escribió o implícita de que $dx=0$, contrario a Berkeley en disputa. Este problema fue abordado en detalle en un artículo reciente en Erkenntnis aquí.

Por lo tanto la supuesta contradicción lógica se produce sólo en los ataques de los críticos que han malinterpretado Leibniz, en lugar de en Leibniz de la obra en sí.

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