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龚昇解读:微积分入门与发展历程
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更新于2024-07-19
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"《微积分五讲》是由国内著名数学教育家龚昇编撰的一本科普读物,旨在通过系统讲解使读者对微积分有更深的理解。这本书源自龚昇教授在2002年和2003年针对大学生和教师群体所做的两次微积分系统讲演,内容涵盖了微积分的历史、理论基础以及其发展过程。全书分为五个部分: 1. 回顾中学数学:这部分首先提到了希尔伯特在20世纪初的著名演讲,强调数学的发展历程和重要意义。龚昇教授从历史的角度出发,回顾了中学数学的基本概念,如算术、代数、几何和三角,以及这些知识对微积分的启示。 2. 微积分的三个组成部分:介绍了微积分的核心矛盾,区分了一元微积分和多元微积分的三个基本元素,如极限、导数和积分的定义和应用。 3. 微积分中的矛盾与对应:深入探讨了微积分理论与实际公式和定理之间的关系,以及初等函数在微积分中的作用。书中揭示了一些看似矛盾的现象,但实际上是理解和掌握微积分的关键。 4. 微积分的发展阶段:从微积分的起源和发展历程出发,讲述了前驱工作的积累、微积分的创立者牛顿和莱布尼茨的贡献,以及微积分的严格化与外微分形式的构建,强调了数学理论的逐步完善。 5. 微积分的严格化与拓展:在微积分经过严格化后,讨论了该学科的深化与扩展,包括复数域上和流形上的微积分,展示了微积分在不同数学领域的应用。 龚昇教授编写这本书时,注重内容的通俗易懂,同时分享了自己对微积分学科的独特见解和个人观点,鼓励读者和教师们积极讨论和批评。他特别感谢了多位学者和机构的支持,包括陈省身教授、刘德数学研究中心、葛墨林教授等人,以及沈可美小姐的辛勤工作。这本书不仅提供了丰富的微积分知识,还体现了作者对教育的热情和对数学发展的思考。"
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引入坐标
第五公设替代
复数,Euler 公式
三角问题代数化
内表示大学数学课程或课程内容,之外表示中学课程
在这一节与上一节中,我们从 Hilbert 的那个著名讲演中的那段精辟论述出
发,回顾了中、小学的数学课程,以及后续的大学数学课程之间的关系,但必须
说明两点:⑴一门学科的产生往往是有多方面的因素,我在这里往往只说了一个
因素,而这个因素在我看来也许是主要因素之一。如果要各种因素都说到,对每
一门学科都可以说很多话来讨论它的来源,但这不是在一次讲演中所能做到的,
而且反而冲淡了主题;⑵一门学科对其它学科的影响也是多方面的,例如:中学
的“代数”课程,从方程式的角度,导致了“线性代数”及“近世代数”的产生,
但从排列组合的角度,导致了“组合数学”的产生。又例如:“非欧几何”的产
生不仅导致“Remann 几何”的诞生,也引发了“几何基础”的深入讨论等。
4. 三点启示
从上面的论述中,我们能得到些什么启示呢?
您们也许已经发现,导致“数学中一步真正的进展”的“更有力的工具与更
简单的方法”往往是一些看来是十分简单明了的想法。如从算术走向代数,关键
平面几何
立体几何
解析几何
微积分
非欧几何 微分几何
Riemann 几何
三角
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的一步是“数学符号化”,同样由“平面几何”、“立体几何”走向“解析几何”,
关键的一步是“引入坐标”,亦即将平面的点与数对一一对应,正是由于这样看
似简单的一步,引发了“数学中真正的进展”。而“数学符号化”、“引入坐标”
都是花了千年的时间才产生的,仔细想想,“数字符号化”比算术中的一道难题
可能更易理解,“数字符号化”之后,解算术难题则轻而易举。记得我在小学学
算术时,感到很难。例如鸡兔同笼问题。在一个笼子中关有鸡与兔,已知有多少
个头,多少个脚,问有多少只鸡、多少只兔?当时我实在感到很纳闷,一是鸡与
兔为何要关在一个笼子里?二是既能数的清有多少个头、多少只脚,为何数不清
有多少只鸡,多少只兔?老师教我解鸡兔同笼问题的方法,更使我感到难懂,现
已完全记不得了,等到学了初中代数,才明白这不过是解二元一次联立方程组的
问题,而解此方程组十分容易。不论是鸡兔同笼或鸭狗同室,都可用此法来解,
心中豁然开朗,初中代数当然比小学算术来的“高级”,但“高级”的却比“低
级”的容易,且“高级”的替代了“低级”的。同样,“引入坐标”,比平面几何
中的一道难题的解可能更易理解,“引入坐标”之后解几何则比较容易了。一些
几何的定理与习题,往往不易理解与解答,如辅助线应该添在哪里?应该先证哪
些线、角或三角形相等或全同?一些习题解起来甚至十分困难,如著名的九点圆
定理等。但有了解析几何之后,将一些几何问题代数化,使相当一部分平面几何
及立体几何的问题变得容易,而我们学习解析几何往往感到比学平面几何及立体
几何来得容易。当然“解析几何”比“平面几何”及“立体几何”来得“高级”,
但“高级”的却比“低级”的容易,而且是“高级”的可以替代“低级”的。再
例如,人们知道了 Euler 公式
cos sin
i
ei
θ
θ
θ
=+
之后,发现中学里学习的一大批
三角公式与定理不过是这么简单公式的推论,而 Euler 公式十分简单,极易记住,
倒是一些三角公式往往不易记住,而在学的三角课程中,它们的推导与证明往往
很复杂,当然 Euler 公式比“三角”来得“高级”,但“高级”的却比“低级”
的来得容易。
人们从小学一直到大学,读过的书叠在一起不知有多高,如果不是逐步用“高
级”的来替代“低级”的,逐步忘掉一些被替代掉的旧知识,人们怎能记得住那
么多!人们从上小学以来,年年学数学,这实际上就是一个以“高级”替代“低
级”的过程,否则靠死记硬背,最后将会忘掉一切。
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上述这些例子说明:一些“高级”的数学往往十分简单明了,更有概括性,
极易记住,而相对而言一些较为“低级”的数学往往复杂,不易记住,所以我们
第一个启示是:“高级”的数学未必难,“低级”的数学未必容易。这是“高”、
“低”与“难”、“易”之间的辩证关系。但是从上述这些论述中,更令人深思的
是第二个启示:重要的是要有创新思想。“数字符号化”、“引入坐标”、“向量空
间”即“线性空间”,“线性变换”即“矩阵”,“第五公设的替代”、“群、域”等
想法的产生,这些看似简单的想法。却是了不起的创新思想,正是由于有了这种
创新思想,才会有“数学中一步真正的进展”。否则即使是解决“算术”难题的
能人,是做“平面几何”难题的高手,而无这种创新思想,那末难题做的再多,
也不可能引发“数学中一步真正的进展”。当然,这种创新思想来之不易,往往
经过几百年,以至千年的积累才能形成,经过了长期的积累,走向成熟,就会有
数学大师总结与提升前人的成果,而提出这种划时代的创新思想,这就是数学的
历史。当然,一个划时代的创新思想的形成,往往是无数个各种水平的创新思想
的积累所形成的。
当然,我这样说,并不是否定做一些算术、代数、几何与三角的难题。从培
养学生学习数学的能力来看,让学生花太多时间来做太多的数学难题当然不必
要,但适当地让学生做一些数学难题还是合适的,是对学习有好处的,且对培养
创新思想也是有好处的,因为创新思想不是一天能培养出来的,是要日积月累,
从量变到质变的过程。看看历史上那些大数学家,哪一位没有做过难题?从教学
的角度,问题是在适量。至于中、小学老师,为了提高教学质量,对一些难题进
行研究、分析与探讨,那是理所当然的事;从因材施教,提高同学们学习数学的
兴趣与能力的角度,来举办一些数学活动,如“数学竞赛”等有意义的活动更是
必要的了。从数学发展的历史角度与数学教育的角度来考虑问题,终究是不一样
的。
在上述的论述中,除了上述二点启示外,还可以有以下第三点启示:
数学的历史也像一部战争史,往往是“一将功成万骨枯”!想想从“Euclid”
的《原本》诞生之后,几千年来,不知有多少数学家前赴后继地企图用其他公设、
公理及定理来证明第五公设,这些人都失败了,都默默无闻,数学史上不会记载
他们的名字,实际上,他们都牺牲了,但正是由于千千万万个无名数学家的牺牲,
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导致了 Gauss, Bolyai, Lobatchevsky 从另外的角度来处理这个问题,他们成功了,
他们成了英雄。同样自从二次、三次以及四次一元代数方程式得到根式解后,几
百年来,也不知有多少数学家前赴后继地企图找到五次及更高次一元代数方程的
根式解,但他们都失败了,他们的牺牲,导致了 Lagrange, Abel 与 Galois 从新的
角度来考察这个问题,名垂数学史。但他们的成功也是在几百年来许多默默无闻
的数学家失败的基础上获得的,这也可以说是“一将功成万骨枯”!至于几千年
来,那些企图用无刻度的直尺与圆规来解前面提到的古希腊三大作图难题的无数
数学家们,他们更是全军覆没,全都牺牲了,这样的例子还可以举出很多。从这
些数学的历史,启示我们,我们应该如何来选择数学问题,如何来思考与处理数
学问题,才能避免尽量少的牺牲,以获得成功。
参考文献
⑴Hilbert, D, Gottinger Nachrichten, 253-297, 1900, 以及 The Bulletin of
American Mathematical Society, Vol. 8, p. 437-445, 478-479, 1902.
⑵李文林,数学史教程,高等教育出版社,施普林格出版社,2000。
⑶Euclid, The thirteen books of the Elements, Trans from text of Heiberg with
introduction and commentary by T. L. Heath, 3rds, Cambridge, 1908.
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