数学的三大核心领域分析学范畴.docVIP

数学的三大核心领域——分析学范畴 卢介景 三、分析学范畴 1、微积分 ? 微积分学是微分学和积分学的统称，它是研究函数的导数、积分的性质和应用的一门数学分支学科。 ? 微积分的出现具有划时代意义，时至今日，它不仅成了学习高等数学各个分支必不可少的基础，而且是学习近代任何一门自然科学和工程技术的必备工具。现在的微积分学的教程，通常的讲授次序是先极限、再微分、后积分，这与历史顺序正好相反。 ? 在微积分历史中，最初的问题是涉及计算面积、体积和弧长的。阿基米得(公元前3世纪)的方法最接近于现行的积分法。在17世纪探索微积分的至少有十几位大数学家和几十位小数学家。牛顿和莱布尼茨分别进行了创造性的工作，各自独立地跑完了“微积分这场接力赛的最后一棒”。 ? 1609年，开普勒为了计算行星运动第二定律中包含的面积，和在他的论文中讨论的酒桶的体积，而借助了某种积分方法。1635年，卡瓦列利发表了一篇阐述不可分元法的论文，提出卡瓦列利原理，它是计算面积和体积的有价值的工具。1650年，沃利斯把卡瓦列利的方法系统化，并作了推广。 ? 微分起源于作曲线的切线和求函数的极大值或极小值问题。虽然可以追溯到古希腊，但是第一个真正值得注意的先驱工作，是费尔马1629年陈述的概念。1669年，巴罗对微分理论作出了重要的贡献，他用了微分三角形，很接近现代微分法。一般认为，他是充分地认识到微分法为积分法的逆运算的第一个人。 ? 至此，还有什么要做的呢？首要的是，创造一般的符号和一整套形式的解析规则，形成可以应用的微积分学，这项工作是由牛顿和莱布尼兹彼此独立地做出的。接着的工作是在可接受的严格的基础上，重新推导基本理论，这必须等到此课题想到多方面应用之后。柯西和他的后继者们完成了这一工作。 ? 牛顿早在1665年才23岁时，就创造了流数法(微分学)，并发展到能求曲线上任意一点的切线和曲率半径。他的《流数法》写于1671年，但直到死后9年的1736年才发表。牛顿考虑了两种类型的问题，等价于现在的微分和解微分方程。他定义了流数(导数)、极大值、极小值、曲线的切线、曲率、拐点、凸性和凹性，并把它的理论应用于许多求积问题和曲线的求长问题。 ? 牛顿创立的微积分原理是同他的力学研究分不开的，他借此发现、并研究了力学三大定律和万有引力定律，1687年出版了名著《自然哲学的数学原理》。这本书是研究天体力学的，包括了微积分的一些基本概念和原理。 ? 莱布尼茨是在1673年到1676年之间，从几何学观点上独立发现微积分的。1676年，他第一次用长写字母∫表示积分符号，象今天这样写微分和微商。1684年～1686年，他发表了一系列微积分著作，力图找到普遍的方法来解决问题。今天课本中的许多微分的基本原则就是他推导出来的，如求两个函数乘积的n阶导数的法则，现在仍称作菜布尼兹法则。莱布尼兹的另一最大功绩是创造了反映事物本质的数字符号，数学分析中的基本概念的记号，例如微分dx，二级微分dx?，积分∫ydx，导数dy/dx等都是他提出来的，并且沿用至今，非常方便。 ? 牛顿与莱布尼茨的创造性工作有很大的不同。主要差别是牛顿把x和y的无穷小增量作为求导数的手段，当增量越来越小的时候，导数实际上就是增量比的极限，而莱布尼兹却直接用x和y的无穷小增量(就是微分)求出它们之间的关系。 ? 这个差别反映了他们研究方向的不同，在牛顿的物理学方向中，速度之类是中心概念；而在莱布尼兹的几何学方向中，却着眼于面积体积的计算。其它差别是，牛顿自由地用级数表示函数，采用经验的、具体和谨慎的工作方式，认为用什么记号无关紧要；而莱布尼兹则宁愿用有限的形式来表示函数，采用富于想象的、喜欢推广的、大胆的工作方式，花费很多时间来选择富有提示性的符号。 ? ??? 到1700年，现在大学且学习的大部分微积分内容已经建立起来。第一部微积分课本出版于1696年，是洛比达写的。1769年，欧拉论述了二重积分。1773年，拉格朗日考察了三重积分。1837年，波尔查诺给出了级数的现代定义。19世纪分析学的严谨化，是由柯西奠基的。现在课本中的极限、连续性定义、把导数看作差商的极限、把定积分看做和的权限等等，实质上都是柯西给出的。进一步完成这一工作的是威尔斯特拉斯，他给出了现在使用的精确的极限定义，并同狄德金、康托于19世纪70年代建立了严格的实数理论，使微积分有了坚固可靠的逻辑基础。 　 2、微分方程 ? 凡是表示未知函数和未知函数的导数以及自变量之间的关系的方程，就叫做微分方程。如果未知函数是一元函数，则称为常微分方程，如果未知函数是多元函数，则称为偏微分方积。微分方程的基本问题是在一定条件下，从所给出的微分方程解出未知函数。 ? 微分方程几乎是与微积分同时发展起来的，由于它与力学、物理学的渊源很深，所以在13世纪便已自成一门独立的学科