小編整理: 微積分學(xué)是數學(xué)中的基礎分支,它研究函數、極限、微分學(xué)、積分學(xué)及其應用。在17世紀后半葉,
英國 數學(xué)家艾薩克·牛頓和德國數學(xué)家G.W.萊布尼茲總結和發(fā)展了幾百年間前人的工作,建立了微積分。微積分學(xué)是一個(gè)非常重要的數學(xué)分支,它在自然科學(xué)、工程學(xué)、計算機科學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應用。
微積分學(xué) 微積分學(xué),數學(xué)中的基礎分支。內容主要包括函數、極限、微分學(xué)、積分學(xué)及其應用。函數是微積分研究的基本對象,極限是微積分的基本概念,微分和積分是特定過(guò)程特定形式的極限。17世紀后半葉,英國數學(xué)家 艾薩克·牛頓 和德國數學(xué)家G.W.萊布尼茲,總結和發(fā)展了幾百年間前人的工作,建立了微積分,但他們的出發(fā)點(diǎn)是直觀(guān)的 無(wú)窮小量 ,因此尚缺乏嚴密的理論基礎。19世紀A.-L.柯西和K.魏爾斯特拉斯把微積分建立在 極限理論 的基礎上;加之19世紀后半葉 實(shí)數理論 的建立,又使極限理論有了嚴格的理論基礎,從而使微積分的基礎和思想方法日臻完善。
基本信息
運用領(lǐng)域
天文學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等
歷史背景 數學(xué)中的轉折 點(diǎn)是 笛卡爾 的變數,有了變數,運動(dòng)進(jìn)入了數學(xué),有了變數,辯證法進(jìn)入了數學(xué),有了變數,微分學(xué)和積分學(xué)也就立刻成為必要的了,而它們也就立刻產(chǎn)生,并且是由 牛頓 和萊布尼茲大體上完成的,但不是由他們發(fā)明的。—— 恩格斯 從15世紀初歐洲文藝復興時(shí)期起,工業(yè)、農業(yè)、航海事業(yè)與商賈貿易的大規模發(fā)展,形成了一個(gè)新的 經(jīng)濟時(shí)代,宗教改革與對教會(huì )思想禁錮的懷疑,東方先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)通過(guò) 阿拉伯 的傳入,以及 拜占庭帝國 覆滅后 希臘 大量文獻的流入歐洲,在當時(shí)的知識階層面前呈現出一個(gè)完全嶄新的面貌。而十六世紀的歐洲,正處在資本主義萌芽時(shí)期,生產(chǎn)力得到了很大的發(fā)展,生產(chǎn)實(shí)踐的發(fā)展向自然科學(xué)提出了新的課題,迫切要求力學(xué)、天文學(xué)等基礎學(xué)科的發(fā)展,而這些學(xué)科都是深刻依賴(lài)于數學(xué)的,因而也推動(dòng)了數學(xué)的發(fā)展。科學(xué)對數學(xué)提出的種種要求,最后匯總成多個(gè)核心問(wèn)題: (1)運動(dòng)中速度與距離的互求問(wèn)題
即,已知物體移動(dòng)的距離S表為時(shí)間的函數的公式 ,求物體在任意時(shí)刻的速度和加速度;反過(guò)來(lái),已知物體的加速度表為時(shí)間的函數的公式,求速度和距離。這類(lèi)問(wèn)題是研究運動(dòng)時(shí)直接出現的,困難在于,所研究的速度和加速度是每時(shí)每刻都在變化的。比如,計算物體在某時(shí)刻的 瞬時(shí)速度 ,就不能象計算 平均速度 那樣,用運動(dòng)的時(shí)間去除移動(dòng)的距離,因為在給定的瞬間,物體移動(dòng)的距離和所用的時(shí)間是0,而0/0是無(wú)意義的。但是,根據物理,每個(gè)運動(dòng)的物體在它運動(dòng)的每一時(shí)刻必有速度,這也是無(wú)疑的。已知速度公式求移動(dòng)距離的問(wèn)題,也遇到同樣的困難。因為速度每時(shí)每刻都在變化,所以不能用運動(dòng)的時(shí)間乘任意時(shí)刻的速度,來(lái)得到物體移動(dòng)的距離。 (2)求曲線(xiàn)的切線(xiàn)問(wèn)題
這個(gè)問(wèn)題本身是純幾何的,而且對于科學(xué)應用有巨大的重要性。由于研究天文的需要,光學(xué)是十七世紀的一門(mén)較重要的科學(xué)研究,透鏡的設計者要研究光線(xiàn)通過(guò)透鏡的通道,必須知道光線(xiàn)入射透鏡的角度以便應用 反射定律 ,這里重要的是光線(xiàn)與曲線(xiàn)的法線(xiàn)間的夾角,而法線(xiàn)是垂直于切線(xiàn)的,所以總是就在于求出法線(xiàn)或切線(xiàn);另一個(gè)涉及到曲線(xiàn)的切線(xiàn)的科學(xué)問(wèn)題出現于運動(dòng)的研究中,求運動(dòng)物體在它的軌跡上任一點(diǎn)上的運動(dòng)方向,即軌跡的切線(xiàn)方向。 (3)求長(cháng)度、面積、體積、與重心問(wèn)題等
這些問(wèn)題包括,求曲線(xiàn)的長(cháng)度(如行星 在已知時(shí)期移動(dòng)的距離),曲線(xiàn)圍成的面積,曲面圍成的體積,物體的重心,一個(gè)相當大的物體(如行星)作用于另一物體上的引力。實(shí)際上,關(guān)于計算橢圓的長(cháng)度的問(wèn)題,就難住數學(xué)家們,以致有一段時(shí)期數學(xué)家們對這個(gè)問(wèn)題的進(jìn)一步工作失敗了,直到下一世紀才得到新的結果。又如求面積問(wèn)題,早在 古希臘 時(shí)期人們就用窮竭法求出了一些面積和體積,如求拋物線(xiàn)在區間[0,1]上與 x 軸和直線(xiàn) 所圍成的面積S,他們就采用了窮竭法。當n越來(lái)越小時(shí),右端的結果就越來(lái)越接近所求的面積的精確值。但是,應用窮竭法,必須添上許多技藝,并且缺乏一般性,常常得不到數字解。當 阿基米德 的工作在歐洲聞名時(shí),求長(cháng)度、面積、體積和重心的興趣復活了。窮竭法先是逐漸地被修改,后來(lái)由于微積分的創(chuàng )立而根本地修改了。 (4)求最大值和最小值問(wèn)題
炮彈在炮筒里射出,它運行的水平距離,即射程,依賴(lài)于炮筒對地面的傾斜角,即發(fā)射角。一個(gè)“實(shí)際”的問(wèn)題是求能獲得最大射程的發(fā)射角。十七世紀初期, Galileo 斷定(在真空中)最大射程在發(fā)射角是 時(shí)達到;他還得出炮彈從各個(gè)不同角度發(fā)射后所達到的不同的最大高度。研究行星的運動(dòng)也涉及到最大值和最小值的問(wèn)題,如求行星離開(kāi)太陽(yáng)的距離。
創(chuàng )立過(guò)程
早期思想 中國古代數學(xué)家也產(chǎn)生過(guò)積分學(xué)的萌芽思想,例如三國時(shí)期的 劉徽 ,他對積分學(xué)的思想主要有兩點(diǎn): 割圓術(shù) 及求體積問(wèn)題的設想。 在3世紀,中國數學(xué)家劉徽創(chuàng )立的割圓術(shù)用圓內接正九十六邊形的面積近似代替 圓面積 ,求出圓周率π的近似值3.141024,并指出:“割之彌細,所失彌少,割之又割,以至不可割,則與圓合體而無(wú)所失矣”。劉徽對面 積的深刻認識和他的割圓術(shù)方法,正是 極限思想 的具體體現。 數列極限 是 函數極限 的基礎,一個(gè)數列 如果當n無(wú)限增大時(shí), 與某一實(shí)數無(wú)限接近,就稱(chēng)之為 收斂數列 ,a為數列的極限,記作 例如 ,數列的極限為0。
微分學(xué) 微分學(xué)的基本概念是導數。導數是從速度問(wèn)題和切線(xiàn)問(wèn)題抽象出來(lái)的數學(xué)概念。牛頓從蘋(píng)果下落時(shí)越落越快的現象受到啟發(fā),希望 用數學(xué)工具來(lái)刻畫(huà)這一事實(shí)。若用 表示物體的運動(dòng)規律,即物體運動(dòng)中所走路程s與時(shí)間t的關(guān)系,那么物體在 時(shí)的瞬時(shí)速度為 ,并記 ,并稱(chēng)之為路程s關(guān)于時(shí)間t的導數或變化率,也可記 。而物體運動(dòng)的加速度 。導數作為一個(gè)數學(xué)工具無(wú)論在理論上還是實(shí)際應用中,都起著(zhù)基礎而重要的作用。例如在求極大、極小值問(wèn)題中的應用。
積分學(xué)
積分學(xué)的基本概念是一元函數的不定積分和定積分。主要內容包括積分的性質(zhì)、計算,以及在理論和實(shí)際中的應用。不定積分概念是為解決 求導 和微分的 逆運算 而提出來(lái)的。如果對每一 ,有 ,則稱(chēng)F(x)為 f(x) 的一個(gè) 原函數 ,f(x)的全體原函數叫做不定積分,記為,因此,如果F(x)是 f(x)的一個(gè)原函數,則 ,其中C為任意常數。定積分概念的產(chǎn)生來(lái)源于計算平面上曲邊形的面積和物理學(xué)中諸如求變力所作的功等物理量的問(wèn)題。解決這些問(wèn)題的基本思想是用有限代替無(wú)限;基本方法是在對 定義域 [a,b]進(jìn)行劃分后,構造一個(gè)特殊形式的和式,它的極限就是所要求的量。具體地說(shuō),設f(x)為定義在[a,b]上的函數,任意分劃區間 ,記, ,任取 ,如果有一實(shí)數I,有下式成立: ,則稱(chēng)I為f(x)在[a,b]上的定積分,記為 。當 時(shí),定積分的幾何意義是表示由x 和 所圍曲邊形的面積。定積分除了可求平面圖形的面積外,在物理方面的應用主要有解微分方程的初值問(wèn)題和“微元求和”。 聯(lián)系微分學(xué)和積分學(xué)的基本公式是:若f(x)在[a,b]上連續,F(x)是f(x)的原函數,則 。通常稱(chēng)之為牛頓-萊布尼茲公式。因此,計算定積分實(shí)際上就是求原函數,也即求不定積分。但即使f(x)為初等函數,計算不定積分的問(wèn)題也不能完全得到解決,所以要考慮定積分的近似計算,常用的方法有梯形法和拋物線(xiàn)法。微積分學(xué)是微分學(xué)和積分學(xué)的總稱(chēng)。
客觀(guān)價(jià)值 客觀(guān)世界的一切事物,小至粒子,大至宇宙,始終都在運動(dòng)和變化著(zhù)。因此在數學(xué)中引入了變量的概念后,就有可能把運動(dòng)現象用數學(xué)來(lái)加以描述了。
由于函數概念的產(chǎn)生和運用的加深,也由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,一門(mén)新的數學(xué)分支就繼解析幾何之后產(chǎn)生了,這就是微積分學(xué)。微積分學(xué)這門(mén)學(xué)科在數學(xué)發(fā)展中的地位是十分重要的,可以說(shuō)它是繼歐氏幾何后,全部數學(xué)中的最大的一個(gè)創(chuàng )造。
產(chǎn)生與發(fā)展 微積分的產(chǎn)生一般分為三個(gè)階段:極限概念;求積的無(wú)限小方法;積分與微分的互逆關(guān)系。最后一步是由牛頓、萊布尼茲完成的。前兩階段的工作,歐洲的大批數學(xué)家一直追溯到古希臘的阿基米德都作出了各自的貢獻。對于這方面的工作,古代中國毫不遜色于西方,微積分思想在古代中國也有萌芽,甚至不次于古希臘。
微分早期 古希臘數學(xué)家、力學(xué)家阿基米德(公元前287~前212)的著(zhù)作《 圓的測量 》和《 論球與圓柱 》中就已含有積分學(xué)的萌芽,他在研究解決拋物線(xiàn)下的弓形面積、球和球冠面積、螺線(xiàn)下的面積和旋轉 雙曲線(xiàn) 所得的體積的問(wèn)題中就隱含著(zhù)近代積分的思想。
極限思想 公元前4世紀《 墨經(jīng) 》中有了有窮、無(wú)窮、無(wú)限小(最小無(wú)內)、無(wú)窮大(最大無(wú)外)的定義和極限、瞬時(shí)等概念。劉徽公元263年首創(chuàng )的割圓術(shù)求圓面積和方錐體積,求得圓周率約等于3 .1416,他的極限思想和無(wú)窮小方法,是世界古代極限思想的深刻體現。 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(xiàn)下面積和旋轉雙曲體的體積的問(wèn)題中,就隱含著(zhù)近代積分學(xué)的思想。作為微分學(xué)基礎的極限理論來(lái)說(shuō),在古代以有比較清楚的論述。比如我國的 莊周 所著(zhù)的《 莊子 》一書(shū)的“天下篇”中,記有“一尺之棰,日取其半,萬(wàn)世不竭”。三國時(shí)期的劉徽在他的割圓術(shù)中提到“割之彌細,所失彌小,割之又割,以至于不可割,則與圓周和體而無(wú)所失矣。”這些都是樸素的、也是很典型的極限概念。
微積分思想 微積分思想雖然可追溯到古希臘,但它的概念和法則卻是16世紀下半葉,開(kāi)普勒、 卡瓦列利 等求積的不可分量思想和方法基礎上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的。而這些思想和方法從劉徽對圓錐、圓臺、圓柱的 體積公式 的證明到公元5世紀祖恒求球體積的方法中都可找到。 北宋 大科學(xué)家 沈括 的《 夢(mèng)溪筆談 》獨創(chuàng )了“隙積術(shù)”、“會(huì )圓術(shù)”和“棋局都 數術(shù) ”開(kāi)創(chuàng )了對高階等差級數求和的研究。 特別是13世紀40年代到14世紀初,在主要領(lǐng)域都達到了 中國古代數學(xué)的高峰,出現了現通稱(chēng)賈憲三角形的“ 開(kāi)方 作法本源圖”和 增乘開(kāi)方法 、“ 正負開(kāi)方術(shù) ”、“ 大衍求一術(shù) ”、“ 大衍總數術(shù) ”(一次同余式組解法)、“ 垛積術(shù) ”(高階等差級數求和)、“ 招差術(shù) ”(高次差內差法)、“ 天元術(shù) ”(數字 高次方程 一般解法)、“ 四元術(shù) ”(四元高次方程組解法)、勾股數學(xué)、弧矢割圓術(shù)、組合數學(xué)、計算技術(shù)改革和珠算等都是在世界數學(xué)史上有重要地位的杰出成果,中國古代數學(xué)有了微積分前兩階段的出色工作,其中許多都是微積分得以創(chuàng )立的關(guān)鍵。中國已具備了17世紀發(fā)明微積分前夕的全部?jì)仍跅l件,已經(jīng)接近了微積分的大門(mén)。可惜中國元朝以后, 八股取士 制造成了學(xué)術(shù)上的大倒退,封建統治的文化專(zhuān)制和盲目排外致使包括數學(xué)在內的科學(xué)日漸衰落,在微積分創(chuàng )立的最關(guān)鍵一步落伍了。
十七世紀 到了十七世紀,有許多科學(xué)問(wèn)題需要解決,這些問(wèn)題也就成了促使微積分產(chǎn)生的因素。歸結起來(lái),大約有四種主要類(lèi)型的問(wèn)題:第一類(lèi)是研究運動(dòng)的時(shí)候直接出現的,也就是求即時(shí)速度的問(wèn)題。第二類(lèi)問(wèn)題是求曲線(xiàn)的切線(xiàn)的問(wèn)題。第三類(lèi)問(wèn)題是求函數的最大值和最小值問(wèn)題。第四類(lèi)問(wèn)題是求曲線(xiàn)長(cháng)、曲線(xiàn)圍成的面積、曲面圍成的體積、物體的重心、一個(gè)體積相當大的物體作用于另一物體上的引力。
數學(xué)首先從對運動(dòng)(如天文、航海問(wèn)題等)的研究中引出了一個(gè)基本概念,在那以后的二百年里,這個(gè)概念在幾乎所有的工作中占中心位置,這就是函數——或變量間關(guān)系——的概念。緊接著(zhù)函數概念的采用,產(chǎn)生了微積分,它是繼 Euclid 幾何之后,全部數學(xué)中的一個(gè)最大的創(chuàng )造。圍繞著(zhù)解決上述四個(gè)核心的科學(xué)問(wèn)題,微積分問(wèn)題至少被十七世紀十幾個(gè)最大的數學(xué)家和幾十個(gè)小一些的數學(xué)家探索過(guò)。位于他們全部貢獻頂峰的是牛頓和 萊布尼茨 的成就。在此,我們主要來(lái)介紹這兩位大師的工作。 實(shí)際上,在牛頓和萊布尼茨作出他們的沖刺之前,微積分的大量知識已經(jīng)積累起來(lái)了。十七世紀的許多著(zhù)名的 數學(xué)家、天文學(xué)家、物理學(xué)家都為解決上述幾類(lèi)問(wèn)題作了大量的研究工作,如法國的費馬、笛卡爾、羅伯瓦、 笛沙格 ;英國的 巴羅 、 沃利斯 ;德國的開(kāi)普勒;意大利的 卡瓦列里 等人都提出許多很有建樹(shù)的理論。為微積分的創(chuàng )立做出了貢獻。 例如費馬、巴羅、笛卡爾都對求曲線(xiàn)的切線(xiàn)以及曲線(xiàn)圍成的面積問(wèn)題有過(guò)深入的研究,并且得到了一些結果,但是他們都沒(méi)有意識到它的重要性。在十七世紀的前三分之二,微積分的工作沉沒(méi)在細節里,作用不大的細微末節的推理使他們筋疲力盡了。只有少數幾個(gè)大學(xué)家意識到了這個(gè)問(wèn)題,如James Gregory說(shuō)過(guò):“數學(xué)的真正劃分不是分成幾何和算術(shù),而是分成普遍的和特殊的”。而這普遍的東西是由兩個(gè)包羅萬(wàn)象的思想家牛頓和萊布尼茨提供的。
十七世紀下半葉,在前人工作的基礎上,英國大科學(xué)家牛頓和德國數學(xué)家萊布尼茨分別在自己的國度里獨自研究和完成了微積分的創(chuàng )立工作,雖然這只是十分初步的工作。他們的最大功績(jì)是把兩個(gè)貌似毫不相關(guān)的問(wèn)題聯(lián)系在一起,一個(gè)是切線(xiàn)問(wèn)題(微分學(xué)的中心問(wèn)題),一個(gè)是求積問(wèn)題(積分學(xué)的中心問(wèn)題)。
牛頓和萊布尼茨建立微積分的出發(fā)點(diǎn)是直觀(guān)的無(wú)窮小量,因此這門(mén)學(xué)科早期也稱(chēng)為無(wú)窮小分析,這正是數學(xué)中分析學(xué)這一大分支名稱(chēng)的來(lái)源。牛頓研究微積分著(zhù)重于從運動(dòng)學(xué)來(lái)考慮,萊布尼茨卻是側重于幾何學(xué)來(lái)考慮的。
牛頓 牛頓在 1671年 寫(xiě)了《流數法和無(wú)窮級數》,這本書(shū)直到1736年才出版,它在這本書(shū)里指出,變量是由點(diǎn)、線(xiàn)、面的連續運動(dòng)產(chǎn)生的,否定了以前自己認為的變量是無(wú)窮小元素的靜止集合。他把連續變量叫做流動(dòng)量,把這些流動(dòng)量的導數叫做流數。牛頓在流數術(shù)中所提出的中心問(wèn)題是:已知連續運動(dòng)的路徑,求給定時(shí)刻的速度(微分法);已知運動(dòng)的速度求給定時(shí)間內經(jīng)過(guò)的路程(積分法)。
萊布尼茨 德國的萊布尼茨是一個(gè)博才多學(xué)的學(xué)者,1684年,他發(fā)表了現在世界上認為是最早的微積分文獻,這篇文章有一個(gè)很長(cháng)而且很古怪的名字《一種求極大極小和切線(xiàn)的新方法,它也適用于分式和無(wú)理量,以及這種新方法的奇妙類(lèi)型的計算》。就是這樣一片說(shuō)理也頗含糊的文章,卻有劃時(shí)代的意義。他以含有現代的 微分符號 和基本微分法則。1686年,萊布尼茨發(fā)表了第一篇積分學(xué)的文獻。他是歷史上最偉大的符號學(xué)者之一,他所創(chuàng )設的微積分符號,遠遠優(yōu)于牛頓的符號,這對微積分的發(fā)展有極大的影響。我們使用的微積分通用符號就是當時(shí)萊布尼茨精心選用的。 從幼年時(shí)代起,萊布尼茨就明顯展露出一顆燦爛的思想明星的跡象。他13歲時(shí)就像其他孩子讀小說(shuō) 一樣輕松地閱讀經(jīng)院學(xué)者的艱深的論文了。他提出無(wú)窮小的微積分算法,并且他發(fā)表自己的成果比艾薩克·牛頓爵士將它的手稿付梓早三年,而后者宣稱(chēng)自己第一個(gè)做出了這項發(fā)現。 萊布尼茨是一個(gè)世故的人,取悅于宮廷并得到知名人士的庇護。他與 斯賓諾莎 有私交,后者的哲學(xué)給他以深刻的印象,雖然他斷然與斯賓諾莎的觀(guān)念分道揚鑣了。 萊布尼茨與哲學(xué)家、神學(xué)家和文人們進(jìn)行著(zhù)廣泛的通信交往。在他的宏大計劃中曾嘗試達成新教和天主教之間的一個(gè)和解以及基督教國家之間的聯(lián)合,這種聯(lián)合在他那個(gè)時(shí)代意味著(zhù)歐洲聯(lián)盟。他還做過(guò)后來(lái)成為普魯士科學(xué)院的柏林科學(xué)協(xié)會(huì )的第一會(huì )長(cháng)。
他曾服務(wù)于漢諾威宮廷,但當 喬治一世 成為英格蘭國王時(shí),萊布尼茨沒(méi)有被邀請同去,也許是由于他與牛頓的爭端。他的公眾影響力下降了,而在1716年,他再無(wú)人注意,甚至被他所創(chuàng )立的學(xué)會(huì )忽視的情況下去世,終年70歲。
創(chuàng )立期爭議 微積分學(xué)的創(chuàng )立,極大地推動(dòng)了數學(xué)的發(fā)展,過(guò)去很多 初等數學(xué) 束手無(wú)策的問(wèn)題,運用微積分,往往迎刃而解,顯示出微積分學(xué)的非凡威力。 前面已經(jīng)提到,一門(mén)科學(xué)的創(chuàng )立決不是某一個(gè)人的業(yè)績(jì),他必定是經(jīng)過(guò)多少人的努力后,在積累了大量成果的基礎上,最后由某個(gè)人或幾個(gè)人總結完成的。微積分也是這樣。
不幸的是,由于人們在欣賞微積分的宏偉功效之余,在提出誰(shuí)是這門(mén)學(xué)科的創(chuàng )立者的時(shí)候,竟然引起了一場(chǎng)悍然大波,造成了歐洲大陸的數學(xué)家和英國數學(xué)家的長(cháng)期對立。英國數學(xué)在一個(gè)時(shí)期里閉關(guān)鎖國,囿于民族偏見(jiàn),過(guò)于拘泥在牛頓的“流數術(shù)”中停步不前,因而數學(xué)發(fā)展整整落后了一百年。
其實(shí),牛頓和萊布尼茨分別是自己獨立研究,在大體上相近的時(shí)間里先后完成的。比較特殊的是牛頓創(chuàng )立微積分要比萊布尼茨早10年左右,但是正式公開(kāi)發(fā)表微積分這一理論,萊布尼茨卻要比牛頓發(fā)表早三年。他們的研究各有長(cháng)處,也都各有短處。那時(shí)候,由于民族偏見(jiàn),關(guān)于發(fā)明優(yōu)先權的爭論竟從1699年始延續了一百多年。
應該指出,這是和歷史上任何一項重大理論的完成都要經(jīng)歷一段時(shí)間一樣,牛頓和萊布尼茨的工作也都是很不完善的。他們在無(wú)窮和無(wú)窮小量這個(gè)問(wèn)題上,其說(shuō)不一,十分含糊。牛頓的無(wú)窮小量,有時(shí)候是零,有時(shí)候不是零而是有限的小量;萊布尼茨的也不能自圓其說(shuō)。這些基礎方面的缺陷,最終導致了 第二次數學(xué)危機 的產(chǎn)生。
完善邏輯基礎 直到19世紀初,法國科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家以 柯西 為首,對微積分的理論進(jìn)行了認真研究,建立了極限理論,後來(lái)又經(jīng)過(guò)德國數學(xué)家維爾斯特拉斯進(jìn)一步的嚴格化,使極限理論成為了微積分的堅定基礎。才使微積分進(jìn)一步的發(fā)展開(kāi)來(lái)。任何新興的、具有無(wú)量前途的科學(xué)成就都吸引著(zhù)廣大的科學(xué)工作者。在微積分的歷史上也閃爍著(zhù)這樣的一些明星: 瑞士 的雅科布·貝努利和他的兄弟約翰·貝努利、 歐拉 、法國的拉格朗日、柯西…… 歐氏幾何也好,上古和中世紀的代數學(xué)也好,都是一種常量數學(xué),微積分才是真正的變量數學(xué),是數學(xué)中的大革命。微積分是高等數學(xué)的主要分支,不只是局限在解決力學(xué)中的變速問(wèn)題,它馳騁在近代和現代科學(xué)技術(shù)園地里,建立了數不清的豐功偉績(jì)。
微積分介紹 微積分(Calculus)是高等數學(xué)中研究函數的微分(Differentiation)、積分(Integration)以及有關(guān)概念和應用的數學(xué)分支。它是數學(xué)的一個(gè)基礎學(xué)科。內容主要包括極限、微分學(xué)、積分學(xué)及其應用。微分學(xué)包括求導數的運算,是一套關(guān)于變化率的理論。它使得函數、速度、加速度和曲線(xiàn)的斜率等均可用一套通用的符號進(jìn)行討論。積分學(xué),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。
微積分是與應用聯(lián)系著(zhù)發(fā)展起來(lái)的,最初牛頓應用微積分學(xué)及微分方程為了從 萬(wàn)有引力 定律導出了開(kāi)普勒行星運動(dòng)三定律。此后,微積分學(xué)極大的推動(dòng)了數學(xué)的發(fā)展,同時(shí)也極大的推動(dòng)了天文學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等自然科學(xué)、社會(huì )科學(xué)及應用科學(xué)各個(gè)分支中的發(fā)展。并在這些學(xué)科中有越來(lái)越廣泛的應用,特別是計算機的出現更有助于這些應用的不斷發(fā)展。微積分作為一門(mén)交叉性很強的科目,除了在物理等自然科學(xué)上有強實(shí)用性外,在經(jīng)濟學(xué)上也有很強的推動(dòng)作用。
微積分學(xué)課程 在大學(xué)的數理、工程、商管教學(xué)中,微積分是“高等數學(xué)”的主要內容之一。其教學(xué)方法自學(xué)科創(chuàng )立之處就受到人們重視。在 美國大學(xué) 先修課程中,AP微積分AB、BC分別為對應大學(xué)一元微積分半年、全年課程。 在香港,微積分是新高中課程數學(xué)(延展部分)的一部分,這部分是選修的。
微積分學(xué)應用 微積分學(xué)的發(fā)展與應用幾乎影響了現代生活的所有領(lǐng)域。它與大部分 科學(xué)分支 關(guān)系密切,包括醫藥、護理、工業(yè)工程、商業(yè)管理、精算、計算機、統計、人口統計,特別是物理學(xué);經(jīng)濟學(xué)亦經(jīng)常會(huì )用到微積分學(xué)。幾乎所有現代科學(xué)技術(shù),如:機械、土木、建筑、航空及航海等工業(yè)工程都以微積分學(xué)作為基本數學(xué)工具。微積分使得數學(xué)可以在變量和 常量 之間互相轉化,讓我們可以已知一種方式時(shí)推導出來(lái)另一種方式。 鸚鵡螺的對數螺線(xiàn)是微積分變幻的經(jīng)典圖像 物理學(xué)大量應用微積分; 經(jīng)典力學(xué) 、熱傳和電磁學(xué)都與微積分有密切聯(lián)系。已知密度的物體質(zhì)量,動(dòng)摩擦力,保守力場(chǎng)的總能量都可用微積分來(lái)計算。例如:將微積分應用到 牛頓第二定律 中,史料一般將導數稱(chēng)為“變化率”。物體動(dòng)量的變化率等于向物體以同一方向所施的力。今天常用的表達方式是 extbf{mph{F}}=m extbf{mph{a}},它包括了微分,因為加速度是速度的導數,或是 位置矢量 的 二階導數 。已知物體的加速度,我們就可以得出它的路徑。 生物學(xué)用微積分來(lái)計算種群動(dòng)態(tài),輸入繁殖和死亡率來(lái)模擬種群改變。
化學(xué)使用微積分來(lái)計算反應速率,放射性衰退。
微積分可以與其他數學(xué)分支交叉混合。例如,混合線(xiàn)性代數來(lái)求得值域中一組數列的“最佳”線(xiàn)性近似。它也可以用在概率論中來(lái)確定由假設密度方程產(chǎn)生的連續隨機變量的概率。在解析幾何對方程圖像的研究中,微積分可以求得最大值、最小值、斜率、凹度、拐點(diǎn)等。
格林公式 連接了一個(gè)封閉曲線(xiàn)上的線(xiàn)積分與一個(gè)邊界為C且平面區域為D的雙重積分。它被設計為 求積儀 工具,用以量度不規則的平面面積。例如:它可以在設計時(shí)計算不規則的花瓣床、游泳池的面積。 在醫療領(lǐng)域,微積分可以計算血管最優(yōu)支角,將血流最大化。通過(guò)藥物在體內的衰退數據,微積分可以推導出服用量。在核醫學(xué)中,它可以為治療腫瘤建立放射輸送模型。
在經(jīng)濟學(xué)中,微積分可以通過(guò)計算 邊際成本 和 邊際利潤 來(lái)確定最大收益。 微積分也被用于尋找方程的近似值;實(shí)踐中,它用于解微分方程,計算相關(guān)的應用題,如:牛頓法、定點(diǎn)循環(huán)、線(xiàn)性近似等。比如:宇宙飛船利用歐拉方法來(lái)求得零重力環(huán)境下的近似曲線(xiàn)。