《十六、十七、十八、十九世纪欧洲的数学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《十六、十七、十八、十九世纪欧洲的数学（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、十六、十七世纪欧洲的数学16、17 世纪的欧洲，漫长的中世纪已经结束，文艺复兴带来了人们的觉醒，束缚人们思想自由发展的烦琐哲学和神学的教条权威逐步被摧毁了。封建社会开始解体，代之而起的是资本主义社会，生产力大大解放。资本主义工场手工业的繁荣和向机器生产的过渡，促使技术科学和数学急速发展。例如在航海方面，为了确定船只的位置，要求更加精密的天文观测。军事方面，弹道学成为研究的中心课题。准确时计的制造，运河的开凿，堤坝的修筑，行星的椭圆轨道理论等等，也都需要很多复杂的计算。古希腊以来的初等数学，已渐渐不能满足当时的需要了。在科学史上，这一时期出现了许多重大的事件，向数学提出新的课题。首先是哥白尼提出
2、地动说，使神学的重要理论支柱的地心说发生了根本的动摇。他的弟子雷蒂库斯见到当时天文观测日益精密，推算详细的三角函数表已成为刻不容缓的事，于是开始制作每隔 10的正弦、正切及正割表。当时全凭手算，雷蒂库斯和他的助手勤奋工作达 12 年之久，直到死后才由他的弟子奥托完成。16 世纪下半叶，丹麦天文学家第谷进行了大量精密的天文观测，在这个基础上，德国天文学家开普勒总结出行星运动的三大定律，导致后来牛顿万有引力的发现。开普勒的酒桶的新立体几何将酒桶看作由无数的圆薄片累积而成，从而求出其体积。这是积分学的前驱工作。意大利科学家伽利略主张自然科学研究必须进行系统的观察与实验，充分利用数学工具去探索大自然的
3、奥秘。这些观点对科学(特别是物理和数学) 的发展有巨大的影响。他的学生卡瓦列里创立了不可分原理 。依靠这个原理他解决了许多现在可以用更严格的积分法解决的问题。不可分 的思想萌芽于 1620 年，深受开普勒和伽利略的影响，是希腊欧多克索斯的穷竭法到牛顿、莱布尼茨微积分的过渡。16 世纪的意大利，在代数方程论方面也取得了一系列的成就。塔塔利亚、卡尔达诺、费拉里、邦贝利等人相继发现和改进三次、四次方程的普遍解法，并第一次使用了虚数。这是自希腊丢番图以来代数上的最大突破。法国的韦达集前人之大成，创设大量代数符号，用字母代表未知数，改良计算方法，使代数学大为改观。在数字计算方面，斯蒂文系统地阐述和使用了
4、小数，接着纳皮尔创制了对数，大大加快了计算速度。以后帕斯卡发明了加法机，莱布尼茨发明了乘法机，虽然未臻于实用，但开辟了机械计算的新途径。17 世纪初，初等数学的主要科目(算术、代数、几何、三角) 已基本形成，但数学的发展正是方兴未艾，它以加速的步伐迈入数学史的下一个阶段：变量数学时期这一时期和前一时期(常称为初等数学时期 )的区别在于前一时期主要是用静止的方法研究客观世界的个别要素，而这一时期是用运动的观点探索事物变化和发展的过程。变量数学以解析几何的建立为起点，接着是微积分学的勃兴。这一时期还出现了概率论和射影几何等新的领域。但似乎都被微积分的强大光辉掩盖了。分析学以汹涌澎湃之势向前发展，到
5、 18 世纪达到了空前灿烂的程度，其内容的丰富，应用之广泛，使人目不暇接。这一时期所建立的数学，大体上相当于现今大学一二年级的学习内容。为了与中学阶段的初等数学相区别有时也叫古典高等数学，这一时期也相应叫做古典高等数学时期。解析几何的产生，一般以笛卡儿几何学的出版为标志。这本书的内容不仅仅是几何，也有很多代数的问题。它和现在的解析几何教科书有很大的差距，其中甚至看不到 笛卡儿坐标系 。但可贵的是它引入了革命性的思想，为开辟数学的新园地作出了贡献。几何学的主要功绩，可以归结为三点：把过去对立着的两个研究对象形 和数 统一起来，引入了变量，用代数方法去解决古典的几何问题；最后抛弃了希腊人的齐性限制
6、；改进了代数符号。法国数学家费马也分享着解析几何创立的荣誉，他的发现在时间上可能早于笛卡儿，不过发表很晚。他是一个业余数学家，在数论、概率论、光学等方面均有重要贡献。他已得到微积分的要旨，曾提出求函数极大极小的方法。他建立了很多数论定理，其中费马大定理最有名，不过只是一个猜想，至今仍未得到证明。对概率论的兴趣，本来是由保险事业的发展而产生的，但促使数学家去思考一些特殊的概率问题却来自赌博者的请求。费马、帕斯卡、惠更斯是概率论的早期创立者，以后经过 18、19 世纪拉普拉斯、泊松等人的研究，概率论成为应用广泛的庞大数学分支。和解析几何同时，17 世纪在几何领域内还发生了另一场重大的变革，这就是射
7、影几何的建立。决定性的进步是德扎格和帕斯卡的工作。前者引入了无穷远点、无穷远线，讨论了极点与极线、透射、透视等问题，他所发现的德扎格定理 是全部射影几何的基本定理。帕斯卡 1640 年发表的圆锥曲线论 ，是自阿波罗尼奥斯以来圆锥曲线论的最大进步。可是当时的数学家大多致力于分析学的研究，射影几何没有受到重视，直到 18 世纪末才重新引起人们的注意。17 世纪是一个创作丰富的时期，而最辉煌的成就是微积分的发明。它的出现是整个数学史也是整个人类历史的一件大事。它从生产技术和理论科学的需要中产生，同时又回过头来深刻地影响着生产技术和自然科学的发展。微积分对于今天的科技工作者来说，已经象布帛菽粟一样，须
8、臾不可离了。微积分是经过了长时间的酝酿才产生的。积分的思想，早在阿基米德时代已经萌芽，16、17 世纪之交，开普勒、卡瓦列里、费马、沃利斯特别是巴罗等人作了许多准备工作。作为微分学中心问题的切线问题的探讨，却是比较晚的事，因而微分学的起点远远落在积分学之后。17 世纪的著名数学家(主要是法国 )如费马、笛卡儿、罗贝瓦尔、德扎格等人都曾卷入 切线问题的论战中。笛卡儿和费马认为切线是当两个交点重合时的割线。而罗贝瓦尔则从运动的角度出发，将切线看作描画这曲线的运动在这点的方向，这观点至今在力学上还有实际意义。牛顿、莱布尼茨的最大功劳是将两个貌似不相关的问题联系起来，一个是切线问题(微分学的中心问题)
9、，一个是求积问题(积分学的中心问题)，建立起两者之间的桥梁，用微积分基本定理或者牛顿 -莱布尼茨公式表达出来。在牛顿 1665 年 5 月 20 日(格里历 31 日) 手写的一页文件中，有微积分的最早记载，但他的工作长久没有人知道，直到 1687 年才用几何的形式摘记在他的名著自然哲学的数学原理中。牛顿建立微积分主要从运动学的观点出发，而莱布尼茨则是从几何学的角度去考虑。特别和巴罗的微分三角形 有密切关系。莱布尼茨第一篇微分学的文章 1684 年在学艺上发表，第一篇积分学的文章 1686 年在同一杂志发表。他所创设的符号远优于牛顿，故为后世所沿用。它的理论很快就得到洛必达、伯努利家族和欧拉等
10、人的继承和发扬光大，到 18 世纪进入了一个丰收的时期。任何一项重大发明，都不可能一开始便完整无瑕。17 世纪的微积分带有严重的逻辑困难，以致受到多方面的非议。它的基础是极限论，而牛顿、莱布尼茨的极限观念是十分模糊的。究竟极限是什么，无穷小是什么，这在当时是带有根本性质的难题。尽管如此，微积分在实践方面的胜利，足以令人信服。大多数数学家暂时搁下逻辑基础不顾，勇往直前地去开拓这个新的园地。17 世纪数学发展的特点，可以概括如下。产生了几个影响很大的新领域，如解析几何、微积分、概率论、射影几何等。每一个领域都使古希腊人的成就相形见绌。代数化的趋势，希腊数学的主体是几何学，代数的问题往往也要用几何方
11、法去论证。17 世纪的代数学比几何学占有更重要的位置，它冲破希腊人的框框，进一步向符号代数转化，几何问题常常反过来用代数方法去解决。出现了大量新概念，如无理数、虚数、瞬时变化率、导数、积分等等，都不是经验事实的直接反映，而是由数学理论进一步抽象所产生。数学和其他自然科学的联系更加紧密，实验科学(从伽利略开始) 的兴起，促进数学的发展，而数学的成果又渗透到其他科学部门中去。许多数学家，如牛顿、莱布尼茨、笛卡儿、费马等，本身也都是天文学家、物理学家或哲学家。数学知识广泛交流传播，希腊时代只有少数人在研究数学，直到 16 世纪，情况并无多大改变。17 世纪研究人员大增，学术团体(学会或学院) 相继成
12、立，加上印刷业的兴旺发达，数学知识得到普遍的推广和应用。总的来说，17 世纪是许多新兴科目的始创阶段，而 18 世纪是充实和发扬阶段，19 世纪是回顾、推广和改革阶段，并以崭新的姿态进入下一个世纪。十八世纪欧洲的数学将微积分学深入发展，是十八世纪数学的主流。这种发展是与广泛的应用紧密交织在一起的，并且刺激和推动了许多新分支的产生，使数学分析形成了在观念和方法上都具有鲜明特点的独立的数学领域。在十八世纪特别是后期，数学研究活动和数学教育方式也发生了变革。这一切使十八世纪成为向现代数学过渡的重要时期。微积分学的发展在十八世纪，无限小算法的推广，在英国和欧洲大陆国家是循着不同的路线进行的。不列颠数学
13、家们在剑桥、牛津、伦敦、爱丁堡等著名的大学里传授和研究牛顿的流数术，代表人有科茨、泰勒、麦克劳林、棣莫弗和斯特林等。泰勒发现的著名公式使人们有可能通过幂级数展开来研究函数；马克劳林的流数论可以说是对微积分最早的系统处理，该书是为反驳伯克利主教分析学家一文而作，后者出于宗教的动机，对牛顿流数论中存在的无限小概念混乱提出了尖锐批评，引起了关于微积分基础的论战。泰勒、马克劳林之后，英国数学陷入了长期停滞、僵化的状态。十八世纪初即已爆发的微积分发明权的争论，滋长了不列颠数学家们浓厚的民族保守情绪，他们囿于牛顿的传统，难以摆脱其迂回的几何手法等弱点的束缚。与此相对照，在海峡的另一边，新分析却在莱布尼茨的
14、后继者们的推动下蓬勃发展起来。推广莱布尼茨学说的任务，主要由他的学生、瑞士巴塞尔的雅各布第一伯努利和约翰第一伯努利两兄弟担当，而这方面最重大的进步则是由欧拉作出的。欧拉于 1748 年出版了无穷小分析引论 ，这部巨著与他随后发表的微分学 、积分学标志着微积分历史上的一个转折：以往的数学家们都以曲线作为微积分的主要研究对象，而欧拉则第一次把函数放到了中心的地位，并且是建立在函数的微分的基础之上。函数概念本身正是由于欧拉等人的研究而大大丰富了。 数学家们开始明确区分代数函数与超越函数、隐函数与显函数、单值函数与多值函数等；通过一些困难积分问题的求解，诸如 B 函数、椭圆不定积分等一系列新的超越函数
15、被纳入函数的范畴；已有的对数、指数和三角函数的研究不仅进一步系统化，而且被推广到复数领域。在十八世纪，数学家们对于函数、导数、微分、连续性和级数收敛性等概念还没有形成统一的见解，他们往往不顾基础问题的薄弱而大胆前进。尽管如此，许多人对建立微积分的严格基础仍作出了重要的尝试。除了欧拉的函数理论外，另一位天才的分析大师拉格朗日采取了所谓代数的途径 。他在 1797 年出版的 解析函数论一书中，主张用泰勒级数来定义导数，并以此作为整个微分、积分理论之出发点。达朗贝尔则发展了牛顿的首末比方法 ，但用极限的概念代替了含糊的 最初与最终比的说法。如果说欧拉和拉格朗日的著作引入了分析的形式化趋势，那么，达朗
16、贝尔则为微积分的严格表述提供了合理的内核。19 世纪的严格化运动，正是这些不同方向融会发展的结果。数学与力学开始结合数学同力学的有机结合，是十八世纪数学的另一个鲜明特征。这种结合，其紧密的程度为数学史上任何时期所不能比拟。几乎所有的数学家都以巨大的热情，致力于运用微积分新工具去解决各种物理、力学问题。欧拉的名字同流体力学和刚体运动的基本方程联系着；拉格朗日最享盛名的著作分析力学 ，将力学变成了分析的一个分支 ；拉普拉斯则把数学看作是研究力学天文学的工具，他的许多重要数学成果正是包含在他的五大卷天体力学中。这种广泛的应用成为新的数学思想的源泉，而使数学本身的发展大大受惠。一系列新的数学分支在十八世纪成长起来。达朗贝尔关于弦振动的著名研究，导出了弦振动方程及其最早的解，成为偏微分方程论的发端。另一类重要的偏微分方程-位势方程，主要通过对引力问题的进一步探讨而获得。与偏微分方程相联系的一些较为深入的理论问题也开始受到注意。拉格朗日发展了
