吳國平:難學上天的微積分是如何被創立的?

2020-12-05 吳國平數學教育

人類對自然、社會、自身等各方面的認識從來沒有停止過,也不會永遠止步。如微積分這門學科的出現就是很好的證明,它讓人類認識自然社會的視角從有限到無限,再從無限回到有限,使整個人類文明實現質的飛躍。

說到微積分,很多人多多少少都會了解或學習到一些,如二次函數當中求最值問題(最大值和最小值),就是屬於微積分一類。

對於很多人來說,如果參加工作後不從事數學相關工作,或許就很少運用微積分數學知識,但其中的極限思想卻會影響我們的思考和行為。可以這麼說,雖然微積分這門學科在幾百年前就已經創立,發展起來,但時至今天很多人連理解都成困難,更別說掌握了。

學習微積分給人類思維發展提供了一個很好的思想鍛鍊機會,二次函數的圖象是一條拋物線,這條曲線向兩端無限延長,但同時又接近最高抵或最低點。體現微積分精髓之一,研究對象從有限到無限,又從無限回到有限。微積分這樣的思維方法是一種數學的方法,體現數學的哲學思辨、邏輯性、系統性思考方法。

其實微積分的應用已經是非常廣泛,如在經濟學、管理學、銀行、金融、財會上等各方面,微積分處處都起著重要的作用。同時微積分也滲透和影響其他學科的發展,如對物理、天文等學科學生來說,微積分也是必學知識之一。

因此,今天我們就一起來簡單了解一下微積分的發展歷史,讓更多人認識到這一門學科的重要性。

微積分是高等數學中研究函數的微分(Differentiation)、積分(Integration)以及有關概念和應用的數學分支,屬於數學的一個基礎學科。

微積分主要內容包括極限、微分學、積分學及其應用。

微分學包括求導數的運算,是一套關於變化率的理論,它使得函數、速度、加速度和曲線的斜率等均可用一套通用的符號進行討論。

積分學,包括求積分的運算,為定義和計算面積、體積等提供一套通用的方法。

毫不誇張的說微積分學的創立,極大地推動了數學的發展,如過去很多無法用初等數學知識解決的問題,一旦運用微積分知識,這些問題往往就變得簡單。

人類進入17世紀以來,隨著社會的進步和科技技術以及生產力的發展,當時很多數學知識已經無法適應和支撐社會的發展。因此,基於當時社會發展的需要,各行各業對數學知識也提出更高的要求,如當時航海、天文、礦山建設等各方面存在許多問題要解決。

之後這些問題直接促進數學開始研究變化著的量(變量),數學進入了「變量數學」時代,自然也就成了促使微積分產生的因素。總的來說歸結起來,大約有以下四種主要類型的問題:

一、運動中速度與距離的互求問題

已知物體移動的距離表為以時間為變量的函數,求物體在任意時刻的速度和加速度;反過來,已知物體的加速度表為以時間為變量的函數公式,求速度和距離。這類問題是研究運動時直接出現的,困難在於,所研究的速度和加速度是每時每刻都在變化的。

二、求曲線的切線問題

這個問題本身是純幾何的,而且對於科學應用有巨大的重要性。由於研究天文的需要,光學是十七世紀的一門較重要的科學研究,透鏡的設計者要研究光線通過透鏡的通道,必須知道光線入射透鏡的角度以便應用反射定律,這裡重要的是光線與曲線的法線間的夾角,而法線是垂直於切線的,所以總是就在於求出法線或切線;另一個涉及到曲線的切線的科學問題出現於運動的研究中,求運動物體在它的軌跡上任一點上的運動方向,即軌跡的切線方向。

三、求長度、面積、體積、與重心問題等

這些問題包括,求曲線的長度(如行星在已知時期移動的距離),曲線圍成的面積,曲面圍成的體積,物體的重心,一個相當大的物體(如行星)作用於另一物體上的引力。實際上,關於計算橢圓的長度的問題,就難住數學家們,以致有一段時期數學家們對這個問題的進一步工作失敗了,直到下一世紀才得到新的結果。

四、求函數的最大值和最小值問題

例如炮彈在炮筒裡射出,它運行的水平距離,即射程,依賴於炮筒對地面的傾斜角,即發射角。一個「實際」的問題是:求能夠射出最大射程的發射角。十七世紀初期,Galileo斷定(在真空中)發射角是45度時達到最大射程;他還得出炮彈從各個不同角度發射後所達到的不同的最大高度。研究行星的運動也涉及到最大值和最小值的問題。

十七世紀的許多著名的數學家、天文學家、物理學家都為解決上述幾類問題作了大量的研究工作,如法國的費爾瑪、笛卡爾、羅伯瓦、笛沙格;英國的巴羅、瓦裡士;德國的克卜勒;義大利的卡瓦列利等人都提出許多很有建樹的理論。為微積分的創立做出了貢獻。十七世紀下半葉,英國科學家牛頓和德國數學家萊布尼茨在前人工作的基礎上,分別在自己的領域裡獨自研究和完成了微積分的創立工作,雖然這只是十分初步的工作。他們的最大功績是把兩個貌似毫不相關的問題聯繫在一起,一個是切線問題(微分學的中心問題),一個是求積問題(積分學的中心問題)。

微積分在17世紀左右正式成為一門學科,成為數學的分支,但實際上積分的思想在古代早就已經產生了。作為微分學基礎的極限理論來說,早在古代其實已經有比較清楚的論述,如我國的莊周所著的《莊子》一書的「天下篇」中,記有「一尺之棰,日取其半,萬世不竭」。三國時期的劉徽在他的割圓術中提到「割之彌細,所失彌小,割之又割,以至於不可割,則與圓周和體而無所失矣。」這些都是樸素的、也是很典型的極限概念。還有是在公元前三世紀,古希臘的阿基米德在研究解決拋物弓形的面積、球和球冠面積、螺線下面積和旋轉雙曲體的體積的問題中,就隱含著近代積分學的思想。

雖然人們已經充分認識到微積分重要作用,但在提出誰是這門學科的創立者的時候,卻造成了歐洲大陸的數學家和英國數學家的長期對立。那時候,由於民族偏見,關於發明優先權的爭論竟從1699年始延續了一百多年。

牛頓和萊布尼茨分別是自己單獨進行獨立研究,在大體上相近的時間裡先後完成的。值得一提的是牛頓創立微積分要比萊布尼茨早10年左右,但是正式公開發表微積分這一理論,萊布尼茨卻要比牛頓發表早三年。兩個人都是偉人,為微積分發展做出重要貢獻,唯一區別就是研究方向各有長處,也都各有短處。

雖然牛頓和萊布尼茨確立了微積分的誕生,但在一些方面也存在缺陷。這些基礎方面的缺陷,最終導致了第二次數學危機的產生。

直到19世紀初,法國科學學院的科學家以柯西為首,對微積分的理論進行了認真研究,建立了極限理論,後來又經過德國數學家維爾斯特拉斯進一步的嚴格化,使極限理論成為了微積分的堅定基礎。

極限理論的創立使得微積分從此建立在一個嚴密的分析基礎之上,它也為20世紀數學的發展奠定了基礎。

可惜的是,雖然在中世紀是歐洲數學大發展的時期,但我國基本處於停滯狀態(明、清時期),因此當時我國的數學家與微積分發展基本無緣。

進入20世紀以來,華裔數學大師陳省身在微分幾何領域,利用微積分的理論來研究幾何,這門學科對人類認識時間和空間的性質發揮著巨大的作用,並且這門學科至今仍然很活躍。

中國的數學愛好者發現了積乘和微商,使微積分的內容進一步拓展。

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    微積分可以解決運動中速度與距離的互求問題、求曲線的切線問題、求長度、面積、體積、與重心問題等、求最大值和最小值等一系列重要問題,而這些問題與我們的工作生活息息相關。不過,圍繞微積分到底是誰先創立這一爭論,曾經在歷史是一場著名的「沒有硝煙的戰爭」,甚至讓英國的數學錯過了整整一個世紀的發展。
  • 微積分發明史
    而數學當中在現實生活中應用最廣泛的就是微積分。    微積分的出現解決了一直困惑人們的兩個問題:第一是如何計算曲線上任意點的切線,即微分;第二是如何計算任意一塊區域的面積,即積分。所以微積分是微分學和積分學的統稱。
  • 在大學裡學的那個微積分,其實一百多年前就被淘汰了
    為解決此問題,牛頓潛心研究創立了微積分,將一門名叫「高等數學」的新科目設為全校的必修課,並規定不及格者來年必須繳費重修直到通過。很快教師們的工資發了下來。當然,這個段子是虛構的,牛頓當然不可能為了討薪而創立一門新學科。不過我相信,這個段子確實能喚起不少人心中對數學的恐懼。
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  • 微積分的發現是人類精神的最高勝利
    16、17世紀是微積分思想發展最為活躍的時期,其傑出的代表有義大利天文學家、力學家伽利略和德國天文學家、數學家、物理學家克卜勒,卡瓦列裡等。他們的工作為牛頓、萊布尼茲創立微積分理論奠定了基礎。三一學院至今還保存著牛頓的讀書筆記,從這些筆記可以看出,就數學思想的形成而言,笛卡兒的《幾何學》和沃利斯的《無窮算數》對他影響最深,正是這兩部著作引導牛頓走上了創立微積分的道路。1665年8月回到了家鄉,在那裡開始了他在機械、數學和光學上的偉大工作,這兩年成為牛頓科學生涯中的黃金歲月,創立了微積分,發現了萬有引力和顏色理論……可以說牛頓一生大多數科學創造的藍圖,都是在這兩年構思的。
  • 翻譯微積分——寫在前面的話
    翻譯微積分——寫在前面的話微積分學習之艱難,學過的同學都知道,每個人都會有各種感觸,這裡不再贅述。可是為何艱難,甚少有人說得清楚,即便問一些老師,也大都回復「好好聽課,多看書,多練習」而已。很多人把微積分學習當做多做題目,真的去做題目的時候才發現,根本不知道如何根據題目信息選擇合適的定理、公式,拿著書(只要不是原題)不會做微積分題目現象並不罕見。這種情況下,微積分就顯得非常困難了。其實不管是微積分學習還是以後其他科目的學習,根據多元智能理論來說,大都需要「語言智能」、「邏輯智能」和「空間智能」的參與。
  • 微積分發展史,充滿爭端的過程,到底是誰最先發明了微積分?
    在這一時期豐富的科學成果中,最輝煌的莫過於微積分的創建。微積分的出現成為整個數學史,乃至科學史上一個具有劃時代意義的重大事件。1684年,他又發表了一份著名的微積分文獻,題目出奇的長:「一個求極大和極小的切線的新方法,它也適用於分式和無理量,以及與這種新方法相關的奇妙類型的計算」。題目如此之長,內容卻較為簡短,這篇論文竟然對微積分的創立產生了劃時代的影響。1686年,萊布尼茨又發表另一篇積分學的文獻,首先創造了積分符號。萊布尼茨清醒地認識到,一個好的符號和運算體系更能節省思維,運用符號和規則的技巧是數學成功的關鍵之一。
  • 微積分發展史,充滿爭端的過程,到底是誰最先發明了微積分?
    在這一時期豐富的科學成果中,最輝煌的莫過於微積分的創建。微積分的出現成為整個數學史,乃至科學史上一個具有劃時代意義的重大事件。這一天,牛頓寫出一份微積分手稿,雖然這份手稿僅有一頁,但它是人類有史以來關於微積分的最早記載,由此開創了人類的微積分新時代。
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