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中国古代微积分萌芽与发展:从刘徽到沈括、秦九韶
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更新于2024-08-21
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微积分的发展历史是一部跨越时空的科学壮丽篇章,其起源可以追溯至古希腊时期。中国古代数学对微积分的创立也做出了重要贡献,尤其是极限概念和求积的无限小方法方面。早在公元前7世纪的老庄哲学中,就体现了无限可分性和极限的思想,而《墨经》更是包含了有穷、无穷、无限小和无穷大的概念,以及极限和瞬时等现代微积分的基础理念。刘徽的割圆术,特别是他的圆周率计算和求解几何体体积的方法,展示了当时世界领先的极限思想。 16世纪下半叶,微积分的概念和法则开始形成,这得益于开普勒和卡瓦列利等人的不可分量思想与求积方法,这些思想在中国古代也有迹可循,比如沈括的“隙积术”、“会圆术”和“棋局都数术”,它们在高等级数求和方面开创了先河。秦九韶的《数书九章》在13世纪提出了“大衍求一术”,解高次方程的技术远超西方,展现了中国古代数学的高度成就。 13世纪40年代至14世纪初是中国数学史上的高峰期,贾宪三角形、“增乘开方法”等一系列创新方法标志着中国古代数学在微积分前两阶段的卓越表现。然而,随着元朝以后的八股取士制度和文化专制,科学特别是数学的发展受到了严重阻碍,中国错过了微积分创立的关键一步,从而未能将这些成果转化为现代微积分理论。 微积分的诞生并非孤立事件,而是科学技术需求推动的结果,它不仅解决了当时的问题,还反过来影响了生产技术和科学进步。例如,微积分在物理学、工程学、经济学等领域中的应用,极大地推动了科技进步。遗憾的是,中国古代数学未能抓住这一历史机遇,使得微积分的真正诞生和发展成为西方的专利。尽管如此,中国古代数学为微积分的形成奠定了坚实的基础,证明了其深厚的历史底蕴和文化价值。
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【精品文档】第 3 页
后来迫于生活,母亲让牛顿停学在家务农,赡养家庭。但牛顿一有机会便埋首书卷,以至经
常忘了干活。每次,母亲叫他同佣人一道上市场,熟悉做交易的生意经时,他便恳求佣人一个人
上街,自己则躲在树丛后看书。有一次,牛顿的舅父起了疑心,就跟踪牛顿上市镇去,发现他的
外甥伸着腿,躺在草地上,正在聚精会神地钻研一个数学问题。牛顿的好学精神感动了舅父,于
是舅父劝服了母亲让牛顿复学,并鼓励牛顿上大学读书。牛顿又重新回到了学校,如饥似渴地汲
取着书本上的营养。
求学岁月
1661 年,19 岁的牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,靠为学院做杂务的收入支付
学费,1664 年成为奖学金获得者,1665 年获学士学位。
17 世纪中叶,剑桥大学的教育制度还渗透着浓厚的中世纪经院哲学的气味,当牛顿进入剑桥
时,哪里还在传授一些经院式课程,如逻辑、古文、语法、古代史、神学等等。两年后三一学院
出现了新气象,卢卡斯创设了一个独辟蹊径的讲座,规定讲授自然科学知识,如地理、物理、天
文和数学课程。
讲座的第一任教授伊萨克?巴罗是个博学的科学家。这位学者独具慧眼,看出了牛顿具有深
邃的观察力、敏锐的理解力。于是将自己的数学知识,包括计算曲线图形面积的方法,全部传授
给牛顿,并把牛顿引向了近代自然科学的研究领域。
在这段学习过程中,牛顿掌握了算术、三角,读了开普勒的《光学》,笛卡尔的《几何学》
和《哲学原理》,伽利略的《两大世界体系的对话》,胡克的《显微图集》,还有皇家学会的历史
和早期的哲学学报等。
牛顿在巴罗门下的这段时间,是他学习的关键时期。巴罗比牛顿大 12 岁,精于数学和光学,
他对牛顿的才华极为赞赏,认为牛顿的数学才超过自己。后来,牛顿在回忆时说道:“巴罗博士
当时讲授关于运动学的课程,也许正是这些课程促使我去研究这方面的问题。”
当时,牛顿在数学上很大程度是依靠自学。他学习了欧几里得的《几何原本》、笛卡儿的《几
何学》、沃利斯的《无穷算术》、巴罗的《数学讲义》及韦达等许多数学家的著作。其中,对牛顿
具有决定性影响的要数笛卡儿的《几何学》和沃利斯的《无穷算术》,它们将牛顿迅速引导到当
时数学最前沿~解析几何与微积分。1664 年,牛顿被选为巴罗的助手,第二年,剑桥大学评议
会通过了授予牛顿大学学士学位的决定。
1665~1666 年严重的鼠疫席卷了伦敦,剑桥离伦敦不远,为恐波及,学校因此而停课,牛
顿于 1665 年 6 月离校返乡。
由于牛顿在剑桥受到数学和自然科学的熏陶和培养,对探索自然现象产生浓厚的兴趣,家乡
安静的环境又使得他的思想展翅飞翔。1665~1666 年这段短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄
金岁月,他在自然科学领域内思潮奔腾,才华迸发,思考前人从未思考过的问题,踏进了前人没
有涉及的领域,创建了前所未有的惊人业绩。
1665 年初,牛顿创立级数近似法,以及把任意幂的二项式化为一个级数的规则;同年 11 月,
创立正流数法(微分);次年 1 月,用三棱镜研究颜色理论;5 月,开始研究反流数法(积分)。这
一年内,牛顿开始想到研究重力问题,并想把重力理论推广到月球的运动轨道上去。他还从开普
勒定律中推导出使行星保持在它们的轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比。牛顿
见苹果落地而悟出地球引力的传说,说的也是此时发生的轶事。
总之,在家乡居住的两年中,牛顿以比此后任何时候更为旺盛的精力从事科学创造,并关心
自然哲学问题。他的三大成就:微积分、万有引力、光学分析的思想都是在这时孕育成形的。可
以说此时的牛顿已经开始着手描绘他一生大多数科学创造的蓝图。
1667 年复活节后不久,牛顿返回到剑桥大学,10 月 1 日被选为三一学院的仲院侣(初级院委),
翌年 3 月 16 日获得硕士学位,同时成为正院侣(高级院委)。1669 年 10 月 27 日,巴罗为了提携
牛顿而辞去了教授之职,26 岁的牛顿晋升为数学教授,并担任卢卡斯讲座的教授。巴罗为牛顿
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