附录I微积分学简史概念:微积分学分为微分学和积分学,是专指运用无穷小或无穷大等 极限过程分析处理计算问题的学问.发展简史:1、荫芽阶段:⑴古希腊,欧多克斯(前408~前355)提出了穷竭法:一个量如减去大 于其一半的量,再从余下的量中减去大于余量一半的量,这样一直下 去,总可使某一余下的量小于已知的任何量.⑵阿里士多德(前384~332)严格区分实无限和潜无限,且只承认潜无限.⑶庄子(前355~前275)《天下篇》“一尺之棰,日取其半,万世不竭”⑷阿基米德(前287~212)在《抛物求积法》中用穷竭法求出抛物线弓 形的面积即,逐次作出与该弓形同底等高的三角形(如图),然后将 这些三角形面积加起来.第n步时,这些三角形面积之和为:A(1+1 +丄+•・・+丄),A为第一个三角形的面积.4 42 4n-1又指出:A(1+1 +丄+•・・+丄 +1 丄)=4 A.4 42 4n-1 3 4n-1 3最后用穷竭法和反证法证明’抛物线弓形面积不能大于或小于3 A.标志着积分学的萌芽.(5)263年,刘徽为《九章算术》作注时提出“割圆术”用正多边形逼 近圆周割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆 周合作而无所失矣”⑹1328年英国大主教布兰德瓦丁在牛津发表的著作中提到类似于均 匀变化率和非均匀变化率的概念.2、酝酿阶段:(1) 1615 年开普勒在出版《新空间几何》中发展了阿基米德求面积和 体积的方法,给出了92 个阿基米德未讨论过的体积问题,并研究了 酒桶的最佳比例。
在天文学研究中得到公式:F sinO d0=1-COS0.0(2) 1635 年卡伐列利出版了《不可分量几何学》,将面积的不可分量比 作织成一块布的线,体积的不可分量比作一册书的各页,而不可分量 的个数为无穷多,且没有厚薄和宽窄,已到达了积分学的边缘,且发 现公式:Lx. dX=伫,n为正整数.0 n +1(3) 法国数学家帕斯卡(1623~1662)借助了略去高次项(即略去高阶无穷 小)的方未能证明体积公式,并且注意到很小的弧和切线是可以相互 代替的.(4) 法国数学家费马(1601~1665)在求极大极小值上取得了非凡的成功,为微积分开辟了道路他注意到:在长为a的线段上取一段x, 由x和a-x所矩形面积为A=x(a-x),对一般的A,x可以有两个值,当 A为极大值时,x只有一个值是a.费马的论证如下:2设 A=x(a-x),今取 x+E,则 A'=(x+E)(a-x-E).作:A'-A=E(a-2x)-E2.因极大值面积只有一个,故可认为A'-A=O,・・.a-2x-E=0;令 E=0,得 2x=a,即 x= a.2⑸英国数学家沃利斯(1616~1703)完成了相当于Jx(i-t2)n dx(n是正整0数)的积分,并给出n的无穷乘积表示。
他大胆地将有限推向无限,例如他从0±1=1, °+1+2 =1, °+1+2+3 =11 +1 2 2 + 2 + 2 2 3 + 3 + 3 + 3 2断言,这个比对无限项成立,这将导致积分.⑹英国数学家巴罗(1630~1677)给出求切线的方法,相当于现代以 dx,dy,ds为边的直角三角形.在他的几何学讲义中出现了微分三角形 MNR(如图),他在求PT的长时舍去了 MR和NR的高次项.3、形成阶段:(1)1665~1666年间,23岁的牛顿利用二项式展开,观察一族相关的 曲线:y=(1-x2)n.对固定的整数n(n>0),将它作二项式展开得到有 -X2,X4,-X6,X8,…各项的多项式.然后运用-X2的下方图形面积是-¥ ,X43的下方图形面积是竺等已有知识,构造了一个系数表,横向按幕次 5排列,纵向按n=1,2,…排列,表内的值是(1-X2)n下方图形面积展开式 中各个幕次的系数,构成一个巴斯卡方阵,再插入对应于n=1的各幕2项的系数,现称之为牛顿二项式定理 利用这张表就能求出当时所知 的代数曲线下的面积.⑵1665年5月20 日,在牛顿牛写的文件中开始有“流数术”的记载, 标志着微积分的诞生。
牛顿把曲线看作运动着的点的轨迹,想象用一 条运动的直线扫过一个区域,来计算此曲线下的面积,这就是牛顿用 运动的概念来叙述他的发现他称连续变量为“流动量”流动量的 导数为“流动率” • x表示流动量X的流动率如:给定函数y-X2=0,时间的刹那用0表示(即dt),X,y的刹那用xO和yO表示(即dx=dx • dt, dy= dy • dt).以x+xO及y+yO替代x,y代入方程 dt dt得 y+y0-(X2+2xx0+X202)=0, \*y-x2=O, ・°・y0-2xx0-X202=0,全式除以0,得y-2xx-X20=0,略去X20,即得y=2xx(即dy =2x)dx(3) 1684 年,莱布尼茨在《教师期刊》上发表了第一篇论文,给出了一阶微分明确的定义,他说横坐标X的微分dx是任意量,而纵坐标y 的微分dy则定义在它与dx之比等于纵坐标与次切距之比的那个量 (即巴罗微分三角形中的TP(次切距)和MP(纵坐标)之比,正是切线的 斜率).(4) 1687年,牛顿的“流数术”才在《自然哲学之数学原理》中以几 何形式发表出来《流数术》本身则直到1736(牛顿去世后 9 年)年才 公开发表。
5) 牛顿完整地提出微分和积分是一对逆运算,并和莱布尼茨分别指出 了换算的公式,即牛顿—莱布尼茨公式,或微积分学基本定理. 而莱 布尼茨的记号dx和运用起来便利.4、大争论阶段:(1) 荷兰哲学家尼文太(1654~1718 年)反对莱布尼茨的高阶微分和略去 无穷小量.(2) 泰勒(1685~1731)用差分去解释流数,没有成功.(3) 麦克劳林(1698~1746)试图从瞬时速度的理解上证明微积分理论的 严密性,成效不大.(4) 1734 年,爱尔兰主教贝克莱公开质疑微积分理论的严密性5)达朗贝尔(1717~1783 年)将微积分的基础归结为极限,认为极限是 “一个变量趋近于一个固变量,走近的程度小于任何给定的量”,未 完成.(6)欧拉(1707~1783 年)以微积分为工具解决了大量天文、物理、力学 的问题,开创了微分方程、无穷级数、变分学等诸多新学科7)1748 年,欧拉发表了世界上第一本完整的有系统的分析学《无穷 小分析引论》.(8)数学家阿贝尔(1802~1829 年)指出:“在高等分析中,只有很少几个 定理是用逻辑上站得住脚的形式证明的人们到处发现从特殊跳到一 般的不可靠的推理方法。
5、成熟阶段(1) 1821 年,法国数学家柯西在《分析教程》一书中,给极限定义为 “若代表某变量的一串数值无限地趋向于某一数值,其差可任意小, 则该固定值称为这一串数值的极限并由此出发建立起一个微积分 体系⑵德国数学家魏尔斯特拉斯(1815~1897年)采用了 £-6的表示方法,摆脱了几何直观所带来的概念含糊问题.(3) 1854 年黎曼给出了有界函数可积性的定义.(4) 1859 年,李善兰和伟烈亚力合译了《代数积拾级》,成为第一部微 积分著作的中译本,书中首用微分,积分等译词.(5) 柯西认识到“无理数是有理数迫近的极限”,但极限又要用到实数 的循环论证.(6) 1872 年,梅莱、海涅、康托尔用柯西收敛准则的想法将无理数看 成柯西列,为建立实数理论打下了基础.(7)戴德金(1831~1916)用有理数的分划定义所有实数,被誉为“不依赖空间与时间直观的人类智慧的创造物”,并最终使无理数摆脱了“不 可公度线段”之类的几何直观.(8)海涅在 1870年提出一致连续性.(9)1872 年魏尔斯特拉斯给出了处处连续而不可微的函数例子.(10)1885 年,布达给出了有界函数可积的充要条件.(11)1895 年,博雷尔运用海涅的一个性质,将一致连续性上升为有限 覆盖定理.6、现代微积分的发展:(1)20 世纪初,勒贝格开创了可列可加测度的积分论,即实变函数论, 也称实分析.(2) 概率论和随机过程论被称为现代分析.(3) 复变函数论继续向纵深发展,形成复分析.(4) 以函数空间为背影的泛函和算子理论开始了泛函分析的历程。
5) 三角级数论发展成各种各样的傅里叶分析6) 处理高维空间中曲线曲面,多变量函数的整体性质等,需要用拓扑 学知识及代数工具,形成流形上的分析,使微分几何学、偏微分方程、 多复变函数论等学科相结合,形成当代数学的主流方向7) 研究多元函数的反函数,多元积分的外微分形式,逐渐成为分析学 的基础知识.(7) 分析学基本上解决了线性空间的线性算子(线性微分方程)的课题, 目前非线性分析已成为最活跃的数学分支之一⑻I960年,罗宾逊将实数系R扩充为超实数系R*,无穷小量作为R* 中的数,使极限过程的表示显得更为简单,这称为非标准分析.(9)泛函分析的产生使分析学跃上新的高度,希尔伯特空间,巴拿赫空 间,广义函数论已成为数学家和物理学家的常识7、未来的任务:(1) 无限维空间上的微积分学尚未诞生2) 黎曼积分的推广仍未完成。