變分(variation)一課到底意義何在?高中數學的所謂變分題目,無非要求學生將變分化作方程,然後解方程,根本沒有需要用到變分。與其跟人說y∝x,何不直接說y=kx呢?我有兩項相關的想法。
1.變分的表達方式並不依賴單位與常數的值。例如我說:液體的容量V L與其質量M kg成正比。對於水,我們有M = 1 V。換了另一種液體,或是換了另一套單位,變分常數就不同了,但兩個變量的關係卻沒有改變。對於科學研究來說,兩個變量的關係才是真正科學理論正誤的關鍵。變分常數的量值,是在確立關係之後才有意義的。因此物理學的課本中,物理定律(如law of refraction)都是先以變分 (如sin t1 ∝ sin t2) 表示其量值之間的關係,之後才推出公式(如n1 sin t1 = n2 sin t2) 以作計算。
2.變分有助「挖掘」出常量。當我們說y=kx時,k是一個常量(constant)。這個常量有多「常」呢?它不會隨同一公式內的其他量(x和y)而改變,但卻可以隨公式外的其他量而變。以物理科熱學一課為例,我們說,加熱物體時,熱與溫差成正比,即Q∝ΔT。寫成公式使是Q=CΔT,C為常數(heat capacity熱容量)。這個常數也不是太「常」。要是我們說:「水的熱容量是某值。」這句說話不正確,也不錯誤,因為它根本無意義。物體的熱容量,取決於它材料,同時與其質量成正比。(要加熱雙倍的物體,自然要雙倍的熱。)於是我們說C∝m。寫成公式,就是C=cm,c為常數(specific heat capacity比熱容量)。注意:在Q=CΔT中,C是常量,但在C=cm中,C是個變量!常與不常,要視乎同一公式中有甚麼其他變量了。c比C更「常」,那麼c夠「常」了嗎?c的值只取決於材料,大概也夠「常」了吧。
要是我們的變分常數已經「常無可常」,我們說這是一個普適常數(universal constant)。例如:物理學中的理想氣體公式PV=nRT,R為普適氣體常數(universal gas constant),全宇宙適用。這條公式,正是由Boyle’s Law, Charles’ Law 和 Guy-Lussac’s Law(pressure law)開始,之後逐步深入。過程中的常數也愈來愈「常」。
中學數學題,一般先給予情況求變分常數,然後再用該常數求一變量的值。於是我們總是覺得,那個變分常數,好像是用完即棄一般,不太重要。其實不然。一個重要的例子是,在圓形當中,圓周=常數x直徑。這個常數,當然比任一圓的圓周或直徑重要得多了。