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函数概念的发展

(07数教15号游榕榕)

一、函数概念的萌芽

在公元十六世纪之前,数学上占统治地位的是常量数学,其特点是用孤立、静止的观点去研究事物。具体的函数在数学中比比皆是,但没有一般的函数概念。十六世纪,随着欧洲过渡到新的资本主义生产方式,迫切需要天文知识和力学原理。当时,自然科学研究的中心转向对运动、对各种变化过程和变化着的量之间依赖关系的研究。数学研究也从常量数学转向了变量数学。数学的这个转折主要是由法国数学家笛卡尔完成的,他在《几何学》一文中首先引入变量思想,称为“未知和未定的量”,同时引入了两个变量之间的相依关系。这便是函数概念的萌芽。

二、早期函数概念—几何观念下的函数

十七世纪伽俐略《两门新科学》一书中,用文字和比例的语言表达函数的关系。1673年前后笛卡尔在他的解析几何中,已经注意到一个变量对于另一个变量的依赖关系,但由于当时尚未意识到需要提炼一般的函数概念。牛顿十七世纪在《原理》中提出的“生成量”是雏形的函数概念,莱布尼兹首先使用了“函数”这一术语.因此直到17世纪后期牛顿、莱布尼兹建立微积分的时候,数学家还没有明确函数的一般意义,绝大部分函数是被当作曲线来研究的。

三、十八世纪函数概念─代数观念下的函数

十八世纪初,贝努利最先摆脱具体的初等函数的束缚,给函数一个抽象的不用几何形式的定义:“一个变量的函数是指由这个变量和常量的任何一种方式构成的一个量。”欧拉则更明确地说:“一个变量的函数是该变量和常数以任何一种方式构成的解析表达式。”函数之间的原则区别在于构成函数的变量与常量的组合方式的不同。欧拉最先把函数的概念写进了教科书。在贝努利和欧拉看来,具有解析表达式是函数概念的关键所在。?

1734年,欧拉用记号y=f(x)表示变量x的函数,其中的“f”取自“function”的第一个字母。

四、十九世纪函数概念──对应关系下的函数

1822年傅里叶发现某些函数可以表示成三角级数,使函数的概念得以改进,发现某些函数可用曲线表示,也可用一个式子表示,或用多个式子表示,从而结束了函数概念是否以唯一一个式子表示的争论把对函数的认识又推进了一个新的层次。

1823年柯西从定义变量开始给出了函数的定义,同时指出,虽然无穷级数是规定函数的一种有效方法,但是对函数来说不一定要有解析表达式,不过他仍然认为函数关系可以用多个解析式来表示,这是一个很大的局限,突破这一局限的是杰出数学家狄利克雷。

19世纪初,函数概念再次得到了扩展,函数的概念开始摆脱“解析表达式”,另外狄里克雷更提出了如下的函数概念:1837年狄利克雷指出:“对于在某区间上的每一个确定的值都有一个或多个确定的值,那么y叫做x的函数.”狄利克雷的函数定义,出色地避免了以往函数定义中所有的关于依赖关系的描述,简明精确,以完全清晰的方式为所有数学家无条件地接受。

等到康托尔创立的集合论在数学中占有重要地位之后,维布伦用“集合”和“对应”的概念给出了近代函数定义,通过集合概念,把函数的对应关系、定义域及值域进一步具体化了,且打破了“变量是数”的极限,变量可以是数,也可以是其它对象(点、线、面、体、向量、矩阵等)。

五、现代函数概念──集合论下的函数

1914年豪斯道夫(F.Hausdorff)在《集合论纲要》中用“序偶”来定义函数。库拉托夫斯基(Kuratowski)于1921年用集合概念来定义“序偶”,即序偶(a,b)为集合{{a},{b}},这样,就使豪斯道夫的定义很严谨了。

1930年新的现代函数定义为,若对集合M的任意元素x,总有集合N确定的元素y与之对应,则称在集合M上定义一个函数,记为y=f(x)。元素x称为自变元,元素y称为因变元。

数学的发展是无止境的,函数现代定义的形式并不意味着函数概念发展的历史终结,近二十年来,数学家们又把函数归为一种更广泛的概念关系.

设集合X、Y,我们定义X与Y的积集X×Y为X×Y={(x,y)|x∈X,y∈Y}.积集X×Y中的一子集R称为X与Y的一个关系,若(x,y)∈R,则称x与y有关系R,记为xRy.若(x,y)R,则称x与y无关系.现设f是X与Y的关系,即fX×Y,如果(x,y),(x,z)∈f,必有y=z,那么称f为X到Y的函数.在此定义中,已在形式上回避了“对应”的术语,全部使用集合论的语言了.

二十世纪以来,函数概念不断扩充,函数不仅是变数,还可以是其它变化着的事物。还出现了所谓广义函数以及函数的函数等等。但大体上可被布尔巴基的函数概念覆盖。以研究函数为已任的分析学,成为数学的三大基本分支之一,形成几何、代数、分析三足鼎立的局面。在分析学中,函数论占有重要地位,它又划分为实函数论与复函数论两大部分,分工越来越细。

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