微积分产生的三个阶段介绍

微积分产生的三个阶段介绍内容摘要：

2、小方法，是世界古代极限思想的深刻体现。 微积分思想虽然可追朔古希腊，但它的概念和法则却是 16 世纪下半叶，开普勒、卡瓦列利等求积的不可分量思想和方法基础上产生和发展起来的。 而这些思想和方法从刘徽对圆锥、圆台、圆柱的体积公式的证明到公元 5 世纪祖恒求球体积的方法中都可找到。 北宋大科学家沈括的梦溪笔谈独创了“隙积术”、 “会圆术 ”和“ 棋局都数术”开创了对高阶等差级数求和的研究。 南宋大数学家秦九韶于 1274 年撰写了划时代巨著数书九章十八卷，创举世闻名的“大衍求一术” 增乘开方法解任意次数字（高次）方程近似解，比西方早 500 多年。 特别是 13 世纪 40 年代到 14 世纪初，在主要领域 3、都达到了中国古代数学的高峰，出现了现通称贾宪三角形的“开方作法本源图”和增乘开方法、 “正负开方术”、 “大衍求一术”、“大衍总数术”（一次同余式组解法） 、 “垛积术”（高阶等差级数求和） 、 “招差术”（高次差内差法） 、 “天元术” （数字高次方程一般解法） 、 “四元术”（四元高次方程组解法） 、勾股数学、弧矢割圆术、组合数学、计算技术改革和珠算等都是在世界数学史上有重要地位的杰出成果，中国古代数学有了微积分前两阶段的出色工作，其中许多都是微积分得以创立的关键。 中国已具备了 17 世纪发明微积分前夕的全部内在条件，已经接近了微积分的大门。 可惜中国元朝以后，八股取士制造成了学术上的大倒退 4、，封建统治的文化专制和盲目排外致使包括数学在内的科学日渐衰落，在微积分创立的最关键一步落伍了。 微积分的诞生微积分的产生是数学上的伟大创造。 它从生产技术和理论科学的需要中产生，又反过来广泛影响着生产技术和科学的发展。 如今，微积分已是广大科学工作 者以及技术人员不可缺少的工具。 微积分是微分学和积分学的统称，它的萌芽、发生与发展经历了漫长的时期。 早在古希腊时期，欧多克斯提出了穷竭法。 这是微积分的先驱，而我国庄子的天下篇中也有 “ 一尺之锤，日取其半，万世不竭 ” 的极限思想，公元 263 年，刘徽为九间算术作注时提出了 “ 割圆术 ” ，用正多边形来逼近圆周。 这是极限论思想的成功运用。 积分概念是由求 5、某些面积、体积和弧长引起的，古希腊数学家要基米德在抛物线求积法中用究竭法求出抛物线弓形的面积，人没有用极限，是 “ 有限 ” 开工的穷竭法。 但阿基米德的贡献真正成为积分学的萌芽。 微分是联系到对曲线作切线的问题和函数的极大值、极小值问题而产生的。 微分方法的第一个真正值得注意的先驱工作起源于 1629 年费尔玛陈述的概念，他给同了如何确定极大值和极小值的方法。 其后英国剑桥大学三一学院的教授巴罗又给出了求切线的方法，进一步推动了微分学概念的产生。 前人工作终于使牛顿和莱布尼茨在 17 世纪下半叶各自独立创立了微积分。 1605 年 5 月 20 日，在牛顿手写的一面文件中开始有 “ 流数术 ” 的记载 7、题的能力，都是空前卓越的。 尽管取得无数成就，他仍保持谦逊的美德。 如果说牛顿从力学导致 “ 流数术 ” ，那莱布尼茨则是从几何学上考察切线问题得出微分法。 他的第一篇论文刊登于 1684 年的都市期刊上，这比牛顿公开发表微积分著作早 3 年，这篇文章给一阶微分以明确的定义。 莱布尼茨 1646 年生于莱比锡。 15 岁进入莱比锡大学攻读法律，勤奋地学习各门科学，不到 20 岁就熟练地掌握了一般课本上的数学、哲学、神学和法学知识。 莱布尼茨对数学有超人的直觉，并且对于设计符号很第三。 他的微积分符号 “ 和 ” 已被证明是很发用的。 牛顿和莱布尼茨总结了前人的工作，经过各自独立的研究，掌握了微分法和积分法， 8、并洞悉了二者之间的联系。 因而将他们两人并列为微积分的创始人是完全正确的，尽管牛顿的研究比莱布尼茨早 10 年，但论文的发表要晚 3 年，由于彼此都是独立发现的，曾经长期争论谁是最早的发明者就毫无意义。 牛顿和莱尼茨的晚年就是在这场不幸的争论中度过的。 微积分的思想从微积分成为一门学科来说，是在 17 世纪，但是，微分和积分的思想早在古代就已经产生了。 公元前 3 世纪，古希腊的数学家、力学家阿基米德（公元前 287前 212）的著作圆的测量和论球与圆柱中就已含有微积分的萌芽，他在研究解决抛物线下的弓形面积、球和球冠面积、螺线下的面积和旋转双曲线的体积的问题中就隐含着近代积分的思想。 作为微积分的基础极 9、限理论来说，早在我国的古代就有非常详尽的论述，比如庄周所著的庄子一书中的“天下篇”中，著有“ 一尺之棰，日取其半，万世不竭 ”。 三国时期的高徽在他的割圆术中提出“割之弥细，所失弥少，割之又割以至于不可割，则与圆合体而无所失矣”。 他在 1615 年测量酒桶体积的新科学一书中，就把曲线看成边数无限增大的直线形。 圆的面积就是无穷多的三角形面积之和，这些都可视为黄型极限思想的佳作。 意大利数学家卡瓦列利在 1635 年出版的连续不可分几何 ，就把曲线看成无限多条线段（不可分量）拼成的。 这些都为后来的微积分的诞生作了思想准备。 解析几何为微积分的创立奠定了基础由于 16 世纪以后欧洲封建社会日趋没落，取而代 10、之的是资本主义的兴起，为科学技术的发展开创了美好前景。 到了 17 世纪，有许多著名的数学家、天文学家、物理学家都为解决上述问题做了大量的研究工作。 笛卡尔 1637 年发表了科学中的正确运用理性和追求真理的方法论 （简称方法论 ），从而确立了解析几何，表明了几何问题不仅可以归结成为代数形式，而且可以通过代数变换来发现几何性质，证明几何性质。 他不仅用坐标表示点的位置，而且把点的坐标运用到曲线上。 他认为点移动成线，所以方程不仅可表示已知数与未知数之间的关系，表示变量与变量之间的关系，还可以表示曲线，于是方程与曲线之间建立起对应关系。 此外，笛卡尔打破了表示体积面积及长度的量之间不可相加减的束缚。 于是几 12、研究的基础上，英国大数学家、物理学家艾萨克?牛顿（16421727）是从物理学的角度研究微积分的，他为了解决运动问题，创立了一种和物理概念直接联系的数学理论，即牛顿称之为“流数术”的理论，这实际上就是微积分理论。 牛顿的有关“流数术”的主要著作是求曲边形面积 、 运用无穷多项方程的计算法和流数术和无穷极数。 这些概念是力不概念的数学反映。 牛顿认为任何运动存在于空间，依赖于时间，因而他把时间作为自变量，把和时间有关的固变量作为流量，不仅这样，他还把几何图形线、角、体，都看作力学位移的结果。 因而，一切变量都是流量。 牛顿指出， “流数术” 基本上包括三类问题。 （1）已知流量之间的关系，求它们的流数的关 13、系，这相当于微分学。 （2）已知表示流数之间的关系的方程，求相应的流量间的关系。 这相当于积分学，牛顿意义下的积分法不仅包括求原函数，还包括解微分方程。 （3） “流数术” 应用范围包括计算曲线的极大值、极小值，求曲线的切线和曲率，求曲线长度及计算曲边形面积等。 牛顿已完全清楚上述（1）与（2）两类问题中运算是互逆的运算，于是建立起微分学和积分学之间的联系。 牛顿在 1665 年 5 月 20 日的一份手稿中提到“流数术”，因而有人把这一天作为诞生微积分的标志。 莱布尼茨使微积分更加简洁和准确而德国数学家莱布尼茨（6461716）则是从几何方面独立发现了微积分，在牛顿和莱布尼茨之前至少有数十位数学家研究过 14、，他们为微积分的诞生作了开创性贡献。 但是他们这些工作是零碎的，不连贯的，缺乏统一性。 莱布尼茨创立微积分的途径与方法与牛顿是不同的。 莱布尼茨是经过研究曲线的切线和曲线包围的面积，运用分析学方法引进微积分概念、得出运算法则的。 牛顿在微积分的应用上更多地结合了运动学，造诣较莱布尼茨高一等，但莱布尼茨的表达形式采用数学符号却又远远优于牛顿一筹，既简洁又准确地揭示出微积分的实质，强有力地促进了高等数学的发展。 莱布尼茨创造的微积分符号，正像印度阿拉伯数码促进了算术与代数发展一样，促进了微积分学的发展。 莱布尼茨是数学史上最杰出的符号创造者之一。 牛顿当时采用的微分和积分符号现在不用了，而莱布尼茨所采用的符号现 16、出瞬时变化率，后来他把变量 X 称为流量， X 的瞬时变化率称为流数，整个微积分学称为 “流数学”，事实上，他们二人是各自独立地建立了微积分。 最后还应当指出的是，牛顿的“流数术”，在概念上是不够清晰的，理论上也不够严密，在运算步骤中具有神秘的色彩，还没有形成无穷小及极限概念。 牛顿和莱布尼茨的特殊功绩在于，他们站在更高的角度，分析和综合了前人的工作，将前人解决各种具体问题的特殊技巧，统一为两类普通的算法微分与积分，并发现了微分和积分互为逆运算，建立了所谓的微积分基本定理（现今称为牛顿莱布尼茨公式） ，从而完成了微积分发明中最关键的一步，并为其深入发展和广泛应用铺平了道路。 由于受当时历史条件的限制，牛顿和莱布尼茨建立的微积分的理论基础还不十分牢靠，有些概念比较模糊，因此引发了长期关于微积分的逻辑基础的争论和探讨。 经过 18、19 世纪一大批数学家的努力，特别是在法国数。