在符号中可以看到一种有利于发现的优点:当符号简洁地表达出事物的确切本性,仿佛把它描绘出来时,这种优点最大;这时,思考的劳动便奇妙地减少了。 — 莱布尼茨致契恩豪斯的信(1678) 牛顿最先得到了微积分,但决定它怎么写的是莱布尼茨。而写法造成了天壤之别。 字母 d 1675 年 11 月 11 日,莱布尼茨在巴黎写的一份手稿中开始用字母 $d$ 表示一个无穷小的差。$d$ 来自拉丁文 differentia,源于动词 differre,意为“分开”。于是: $dx$ 是 $x$ 的两个非常接近的值之间的微小差; $dy$ 是 $y$ 相应的差; $\dfrac{dy}{dx}$ 是它们的比:$x$ 每变化一点点,$y$ 变化多少。 “微分学”(differential calculus)的名称由此而来:关于差的计算。 用 dx 来计算 莱布尼茨把 $dx$ 和 $dy$ 当作真正的量,只不过是无穷小的量。对于 $y=x^2$,如果 $x$ 变为 $x+dx$,那么 $$dy=(x+dx)^2-x^2=2x\,dx+(dx)^2.$$由于 $(dx)^2$ 比 $dx$ 无穷地小,他把它略去,得到 $dy=2x\,dx$,即 $$\frac{dy}{dx}=2x.$$这与牛顿用流数所做的计算相同,只是写法不同。今天我们用极限来说明“略去 $(dx)^2$”的合理性:有限差之比为 $2x+h$,当 $h\to0$ 时趋于 $2x$。 1684 年的论文 莱布尼茨 1684 年 10 月发表于《博学学报》的《求极大极小的新方法》第一页。这是微分学第一次付印。莱布尼茨 · Wikimedia Commons · 公有领域 1684 年 10 月,莱布尼茨在莱比锡的期刊《学术纪事》上发表了他的法则,标题很长:《一种求极大值与极小值以及切线的新方法,它不受分数或无理量的阻碍,以及一种为此而用的奇妙算法》。这是六页密密麻麻、错印很多的文字,几乎没人看得懂。雅各布·伯努利和约翰·伯努利兄弟看懂了,正是他们把微积分传遍了欧洲。
1962 年,曾在哈佛任教、当时在 IBM 工作的加拿大人肯尼斯·艾弗森出版了一本名为《一种编程语言》(A Programming Language)的书。尽管书名如此,它其实是一本讲数学记号的书:一种简洁而精确地书写算法的方法,用新的符号表示对整个数列和数表的运算。几年后,IBM 自己把这套记号变成了计算机可以执行的语言,并以书名为它命名:APL。 下取整、上取整与括号 艾弗森的一些符号离开了 APL,进入了普通数学。最著名的是下取整与上取整这一对: $$\lfloor x \rfloor = \text{不大于 } x \text{ 的最大整数}, \qquad \lceil x \rceil = \text{不小于 } x \text{ 的最小整数}.$$在他之前,人们写 $[x]$ 或“$x$ 的整数部分”,而上取整没有符号。有了这两个符号,需要分几种情况的计算可以写在一行里:$1$ 到 $100$ 之间 $7$ 的倍数有 $\lfloor 100/7 \rfloor = 14$ 个。 另一个符号,艾弗森括号,把一个命题变成一个数: $$[P] = \begin{cases} 1, & P \text{ 为真}, \\ 0, & P \text{ 为假}. \end{cases}$$有了它,“数一数 $1$ 到 $n$ 之间的偶数”就成了一个普通的和 $\sum_{k=1}^{n} [k \text{ 是偶数}]$,而这个和可以用通常的规则来处理。高德纳在 1992 年一篇名为《关于记号的两则札记》(Two notes on notation)的文章中为这种括号辩护,并在与罗纳德·格雷厄姆、奥伦·帕塔什尼克合写的《具体数学》一书中通篇使用它。上一篇中的克罗内克 δ 只是一个特例:$\delta_{ij} = [i = j]$。