原來數學大神們是這樣想問題的——圖說微積分發明之謎

2020-12-06 數學經緯

微積分的歷史可以這樣描述——一條來自柏拉圖(Plato,前427—前347),經阿基米德、伽利略、卡瓦列裡和巴羅的積累,到牛頓發生根本質變,形成了運動學特徵的微積分;另一條來自德謨克利特(Demokritos, 前460~前370),經克卜勒、費馬、帕斯卡和惠更斯的積累,到萊布尼茲發生根本質變,形成了原子論性質的微積分。牛頓(Isaac Newton,1643—1727)在1665—1667年間所做的工作和萊布尼茲(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646—1716)在1673—1684年間所做的工作就分別是這兩條主線上的各自的質變。它們是微積分演化史上不朽的裡程碑。

誰先發明的微積分

李文林老師的《數學珍寶》一書,收錄了古今中外最經典的一百篇數學著作。其中,在「微積分的制定與分析的形成」一章中,收錄有克卜勒、卡瓦列裡、費馬和沃利斯等先驅們的啟發性著述,以及牛頓和萊布尼茨發明微積分時的詳細文獻資料。這使得我們可以一睹先賢的風採,進而了解歷史上偉大的數學家們是怎樣思考問題的。

數學珍寶

克卜勒(Johannes Kepler,1571—1630)不僅在天文學上聞名於世,其在數學上也是積分學的先騎。他的《測量酒桶的新立體幾何》一文,系統整理了阿基米德(Archimedes,前287—前212)的幾何學研究,對其主要結論給出新的證明方法——「夾逼法」,例如圓周率約是22/7,圓與其外切正方形面積之比是11:14等。而且,克卜勒進一步推廣了他的「夾逼法」,對一般旋轉體比如橢圓的體積進行了有效地估計。

克卜勒

克卜勒之後,卡瓦列裡(Cavalieri,1598—1647)發表《不可分量的幾何學》一文,是對阿基米德的「窮竭法」嘗試進行原理上的解釋。卡瓦列裡認為,點的大小和線段的面積等都是不可分量,不可分量的累加形成宏觀幾何體。不可分量思想直接啟迪了後世的牛頓和萊布尼茨。

隨著笛卡爾(Rene Descartes,1596—1650)和費馬(Pierre de Fermat,1601—1665)發明解析幾何,幾何與代數融匯,微分法進入幾何中,其中以法國業餘數學家費馬的《求極大值與極小值的方法》一文(1637年手稿)為代表。費馬引入了增量的概念,然後讓總的增量為零,略去高次方項,便得到求極大值與極小值的方法。並且,費馬將這個方法用於切線研究,成功給出了拋物線在任意一點處的切線公式。

費馬的增量

另一方面,不藉助幾何的無窮算術也在牛津大學幾何教授沃利斯(John Wollis,1616—1703)的天才直覺下蓬勃發展,他的《無窮算術》一文,是分析進入數學的標誌。下面的實例將說明這一問題。

沃利斯的無窮算術

在巴羅(Isaac Barrow,1630—1677)的教導下,在上述著作的影響下,牛頓橫空出世,他的數學和力學思想成為開啟近代科學之門的金鑰匙,其著作《自然哲學的數學原理》更是科學研究的範本。1665年,牛頓開始研究切線問題,切線的斜率對應運動學上的速率,牛頓發現,假如路程和時間各自增加自身的小o倍,那麼方程依然成立,並且在略去小o的高次方項後,增量的比正好是速率。

牛頓的小o

牛頓的小o法可以推廣到任意方程之中,而方程對應幾何曲線,於是,任意曲線在任意點處的切線問題便被牛頓完美地解決了!牛頓還發現了小o法的逆過程,可以由速度方程求出位移方程。他將這兩種計算方法整理成流數法,並且認為,小o便是卡瓦列裡所說的不可分量。

正流數術

流數法的第一部分,被稱為「正流數術」,是已知流量間的關係求流數間關係的問題,牛頓通過實例給出了一般的計算方法。這對應之後的隱函數求導問題。流數法的第二部分,被稱為「反流數術」,是已知流數間的關係,求流量間關係的問題,牛頓也通過實例給出了一些計算方法。這便是之後的微分方程的求解問題。

反流數術

由於小o的無限小特性實在難以把據,牛頓在晚年拋棄了不可分量思想,改用「首末比不是無窮小增量之比,而是比的極限」來描述流數,極限的概念被柯西(Cauchy,1789—1857)所繼承,成為應對第二次數學危機的重要工具。

柯西

牛頓的流數法很晚才正式發表,在此之前,只有他一人了解這種算法。而對於微積分的傳播,萊布尼茨居功至偉,他發明的微分和積分符號,至今沿用。1684年,萊布尼茨發表了第一篇微分學論文,這也是數學史上第一篇正式發表的微積分文獻。此文系統闡釋了他1673年以來的思考結果,定義了微分,給出了微分的一般算法和應用。萊布尼茨認為,微分dx,dy等是實實在在的無窮小量,它與相應的x,y的瞬時增量成正比,將方程中的項以微分算式表示便得到微分方程,而微分方程的求解則是逆轉微分算法。

微分法

兩年後,萊布尼茨的第一篇積分學論文發表,其中定義了積分符號是sum中s的拉長,代表微分的和,積分與微分是互逆的運算,求面積求路程是積分問題,求切線求速度是微分問題。萊布尼茨證明,任意曲線與橫坐標組成的曲邊梯形的面積,其隨坐標的變化速率曲線,正好是本曲線沿坐標軸的平移結果,這一定理在後世被稱為牛頓-萊布尼茨公式。它標誌著微積分的正式發明。

積分法

歲月悠悠,一晃五十年,正當人們為微積分的強大與精準而驚嘆時,一位神學大主教貝克萊(George Berkeley,1685—1753)以其嚴謹的形式邏輯,指出了微積分計算過程中的致命錯誤:小o或微分到底是不是0,為什麼可以忽略高次項。它動搖了微積分的邏輯基礎,引發了歷史上第二次數學危機!

貝克萊

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    點擊關注哦  傳奇發明:人類歷史上最偉大的數學工具,牛頓的微積分都要靠邊站    因此,數學進位是數學工具中最偉大,最根本的一個體系,不在這個體系下運算的只能是外星人的數學知識。(值得一提的是,據說進位的發明最早起源於中國,偉大的《易經》)。