算长方形的面积很容易:底乘高。三角形也不难:那个积的一半。麻烦从图形是弯曲的时候开始。用小正方形铺满一个圆,总会多出或缺少一块。两千年来,数学家们一直用同一个想法对付这个问题:用越来越小的直线图形去逼近曲线。变的是书写这个想法的方式。 阿基米德围住了圆 大约公元前 250 年,在叙拉古,阿基米德在一个圆里画了一个六边形,又在圆外画了一个六边形。圆周长介于两个六边形的周长之间。然后他把边数加倍:$12$、$24$、$48$、$96$。用 96 边形,他得到 $$3\tfrac{10}{71}<\pi<3\tfrac17,$$也就是 $3.1408\ldots<\pi<3.1428\ldots$ 这种方法被十七世纪的数学家称为穷竭法,它把曲线图形与直线图形之间的差“穷竭”掉。这是一种极限的思想,比“极限”这个词早了两千年。但阿基米德没有一种书写来表达它:每个问题都需要一个新的论证,用句子和图形写成,而通向无穷的那一步,则用双重反证法回避掉了。 所罗门王的铜海 《圣经》描述了所罗门圣殿里一个巨大的铜盆:“他又铸一个铜海,样式是圆的,高五肘,径十肘,围三十肘”(列王纪上 7:23)。直径 $10$,周长 $30$:$\pi$ 等于 $3$。本站早期的文章讨论过这个测量是否有误。这个数字有不错的解释:盆沿有厚度,绳子可能绕在沿的里面,而且尺寸是取整的。对需要订购青铜的人来说,$3$ 是一个完全够用的 $\pi$。 给这个数一个名字 几个世纪里,圆周与直径之比都没有符号,只能用文字描述:“乘以直径就得到圆周的那个量”。1706 年,威尔士教师威廉·琼斯用了希腊字母 $\pi$,它是 periphéreia(周边、一圈)的首字母。欧拉在他的书里采用了这个字母,它便成了标准。有了名字,这个数的地位就变了:它不再是两段长度之间的关系,而成了一个可以相加、平方、放进公式(比如 $A=\pi r^2$)的对象。 开普勒与酒桶 1613 年,约翰内斯·开普勒第二次结婚,为婚礼买了酒。酒商量酒桶容积的方法是:把一根量杆从桶口插到对面的角落,读出被酒浸湿的长度。已经发现行星运动定律的开普勒觉得这个方法可疑:形状不同的酒桶可能对角线相同而容积不同。1615 年,他出版了《酒桶的新立体几何》(Nova stereometria doliorum vinariorum),把酒桶切成极薄的薄片,再把它们的体积加起来。 二十年后,意大利人博纳文图拉·卡瓦列里用不可分量把这个想法系统化:平面图形由无穷多条线组成,立体由无穷多个面组成。这个方法强大而危险。把无穷多个厚度为零的东西加起来,得到的是什么? 变成积分的和 答案随莱布尼茨而来,而它首先是一个书写上的答案。把曲线 $y=f(x)$ 下方、$a$ 与 $b$ 之间的区域切成 $n$ 个宽为 $\Delta x$ 的长方形。近似面积是 $$A\approx f(x_1)\,\Delta x+f(x_2)\,\Delta x+\cdots+f(x_n)\,\Delta x=\sum_{k=1}^{n} f(x_k)\,\Delta x.$$长方形越细,近似越好。取极限,当宽度趋于零时,和就变成 $$A=\int_a^b f(x)\,dx.$$把两个公式并排看。结构是一样的:一个求和号,一个高度 $f$,一个宽度。变的是字母。希腊字母 $\Sigma$,即“和”(sum)的 S,变成了拉丁的 $\int$,也是一个 S,只是拉长了。希腊字母 $\Delta$,即“差”(difference)的 D,变成了拉丁的 $d$。希腊字母标记有限,拉丁字母标记无穷小,而从一个世界到另一个世界的过渡,就画在字母表的更换之中。本站早期的文章称之为 mirabilis abbreviatio:积分的写法记得它从哪里来。看着 $\int f(x)\,dx$ 的人,仍然能看到高为 $f(x)$、宽为 $dx$ 的长方形。