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數(shù)學(xué)史筆記:近代數(shù)學(xué)和微積分

 金蘋果6 2022-11-05 發(fā)布于北京
編者按



一、近代數(shù)學(xué)的特點是什么?與古代數(shù)學(xué)有什么不同?

1.變量數(shù)學(xué):對不對呢?體現(xiàn)在哪些地方?

古代數(shù)學(xué):常量數(shù)學(xué)。

近代數(shù)學(xué):變量數(shù)學(xué)。

同樣是一個面積,可以看成是靜態(tài)的,也可以看成是動態(tài)的(比如掃過的面積)。這是觀念的不同決定的。

2.研究對象,研究內(nèi)容,研究方法。(角度:數(shù)和形兩部分)

(1)常量數(shù)學(xué)。

a.研究對象。

數(shù):自然數(shù),整數(shù),分?jǐn)?shù)(小數(shù),有理數(shù)),無理數(shù)

形:點線面,三角形正方形矩形梯形,圓。圓錐曲線。圓錐,圓柱,棱錐,棱柱,圓臺,球。

b.研究內(nèi)容。

數(shù):數(shù)的運算和計算,方程。

形:周長(線的長度),面積(面的面積),體積(體的體積),角度。全等。

c.研究方法。

數(shù):計算,解方程。

形:做輔助線綜合分析。

 Eg.尼羅河流域,分土地,多與少,怎么刻畫呢?產(chǎn)生了這個問題。從數(shù)學(xué)角度怎么解決大小的問題呢?需要引進(jìn)數(shù)學(xué)概念。怎么用數(shù)來描述呢?需要一定的方法。梯形→(割補(bǔ))→矩形,矩形的面積(直覺中的直角坐標(biāo)系思想)。

(2)變量數(shù)學(xué)。(觀念的調(diào)整:動態(tài)的觀念)

a.研究對象:函數(shù)(基本的研究對象,變量和變量的依附關(guān)系)。

b.研究內(nèi)容:極值,單調(diào)性,連續(xù)性,可微性,可積性等。

c.研究方法:微分法、積分法等。 

3.一個事物的轉(zhuǎn)變需要有力(動力)。

(1)常量數(shù)學(xué)向變量數(shù)學(xué)時代過渡,它的動因是什么呢?

是和資本主義的發(fā)展聯(lián)系在一塊的??茖W(xué)的進(jìn)步,沖破宗教神學(xué)統(tǒng)治,促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展。資本主義萌芽,零散的積累。到17世紀(jì),伽利略時代,近代自然科學(xué)開始興起,主要是近代力學(xué)。想反抗宗教神學(xué),研究運動的自然規(guī)律,并不是上帝想讓它運動才運動。從伽利略開始,有非常強(qiáng)的數(shù)學(xué)化傾向。先想出來的,借助理想斜面實驗,比如平方關(guān)系是先算出來再去驗證的,不是歸納出來的。這個方法論對于自然科學(xué)的發(fā)展意義非常大。以往主要是通過事實的歸納。方法論的轉(zhuǎn)變:從一些事實中抽象出數(shù)學(xué)規(guī)律,再去驗證。文藝復(fù)興,哲學(xué)上理性主義的興起。要想反抗宗教神學(xué),上帝意志不再作為標(biāo)準(zhǔn)了,那什么東西可以作為標(biāo)準(zhǔn)呢?

(2)西方近代數(shù)學(xué)的代數(shù)學(xué)、幾何學(xué)的發(fā)展是怎么發(fā)生的呢?

貿(mào)易和戰(zhàn)爭。中國、印度在古代講求算法。西方引進(jìn)其它地區(qū)的數(shù)學(xué)成果再加以發(fā)展。新航路開辟之后,涉及航海問題,要解決定位和地圖測繪的問題。三角學(xué)開始發(fā)展起來(球面三角,地球表面),和天文問題結(jié)合在一起。大量計算,出現(xiàn)對數(shù)。文藝復(fù)興,透視,射影幾何。

4.如何看待常量數(shù)學(xué)和變量數(shù)學(xué)?

小初高中學(xué)的東西,常量數(shù)學(xué),與日常生活的需求更密切。也有利于我們掌握一般的科學(xué)方法。對于工程師,做科學(xué)研究,變量數(shù)學(xué)變得很重要?,F(xiàn)實生活中,變量數(shù)學(xué)應(yīng)該更能反應(yīng)本質(zhì)。

二、微積分的誕生。

1.笛卡爾的坐標(biāo)系(微積分誕生前的基礎(chǔ)工作)。

之前解決幾何問題,需要做輔助線,必須靠直觀、直覺。而利用坐標(biāo)系,可以把幾何轉(zhuǎn)化成代數(shù),算就行了,平民也可以做。把數(shù)和形結(jié)合、統(tǒng)一到一塊去了。引入了動態(tài)的觀念(動點的軌跡,這是從形的角度),點在動,數(shù)也在動(變量概念的由來)。當(dāng)然幾何直觀有時也可以猜到答案,為計算提供方向,各有各的優(yōu)勢。在解析幾何中能把兩種優(yōu)勢發(fā)揮出來。沒有變量就沒有函數(shù),就沒有微積分,沒有變量數(shù)學(xué)時代,群也不會有。

2.微積分萌芽

古代窮竭法,沒成體系,偶然發(fā)生。真正微積分的誕生,從17世紀(jì)開始,醞釀,再由N-L分別創(chuàng)立。微積分的誕生是在常量到變量的轉(zhuǎn)折階段發(fā)生的。神學(xué)→文藝復(fù)興,啟蒙運動,打破封建神學(xué)觀念→觀測天體運行,積累和醞釀;望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展,求切線。

3.微分問題和積分問題。一個一個被孤立地提出來。

a.微分問題:切線(望遠(yuǎn)鏡),近日遠(yuǎn)日點(最值),炮彈射程,瞬時速度。

b.積分問題:求質(zhì)心(以質(zhì)點為模型解決運動問題),掃過的面積。

數(shù)學(xué)是解決數(shù)量關(guān)系與空間形式的問題。提出的要求:忽略具體問題背景,抽象出統(tǒng)一的數(shù)學(xué)工具。N-L把上面的問題歸類,微分問題,積分問題,兩類問題是互逆關(guān)系,微積分從此誕生。

4.N-L思想。

a.Newton:1665-1667,躲瘟疫,《流數(shù)簡論》,小o的問題。研究位移和速度的關(guān)系。小o是時間的一瞬。后來,小o作為變量的無窮小增量。再后來,又回到了前面,時間是最終變量。再往后,首末比方法,進(jìn)一步說明:“消逝量的最終比實際上并非最終量之比,而是無限減小的量之比所趨向的極限.它們無限接近這個極限,其差可小于任意給定“,極限思想。

b.Leibniz:1684發(fā)表了一篇微分學(xué)文章,1686發(fā)表了積分學(xué)文章。牛頓急忙發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。帕斯卡的四分之一圓問題,從微分三角形開始研究。從序列出發(fā),發(fā)現(xiàn)離散的求差與求和。組合數(shù)學(xué)的開創(chuàng)者是Leibniz。數(shù)軸就是一個一個的點x挨在一起,求切線不過是求差(連續(xù)的求差用以表達(dá)微分),求面積就是求和(微分的和就是積分),導(dǎo)數(shù)就是微商。到了這里誕生了自己的微積分原理。

5.微積分方法的發(fā)展和牛頓的那一套沒有太大的關(guān)系。

牛頓發(fā)表文章后,微積分優(yōu)先權(quán)之爭。Leibniz到伯努利到歐拉(經(jīng)過兩代人),微積分方法就完成80%了。英國開始不接受Leibniz思想,100多年沒怎么發(fā)展,后來不得不引入歐洲大陸的思想,才趕上。

數(shù)學(xué)經(jīng)緯網(wǎng),縱覽數(shù)學(xué)歷史和文化,橫貫數(shù)學(xué)大家故事、數(shù)學(xué)哲學(xué)、數(shù)學(xué)科普,追蹤數(shù)學(xué)前沿發(fā)展,適合于數(shù)學(xué)愛好者、數(shù)學(xué)專業(yè)者。

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