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微积分在实际中的应用
一、微积分的发明历程
如果将整个数学比作一棵大树,那么初等数学是树的根,名目繁多的数学
分支是树枝,而树干的主要部分就是微积分。微积分堪称是人类智慧最伟大的成
就之一。微积分是微分学和积分学的总称。它是一种数学思想,“无限细分”就
是微分,“无限求合”就是积分。微分学包括求导的运算,是一套关于变化的理
论。它使得函数、速度、加速度和曲线的斜率等均可以用一套通用的符号进行讨
论。积分学,包括求积分的运算,为定义和计算面积、体积等提供一套通用的方
法。微积分的产生一般分为三个阶段:极限概念、求面积的无限小方法、积分与
微分的互逆关系。前两阶段的工作,欧洲及中国的大批数学家都做出了各自的贡
献。
从17世纪开始,随着社会的进步和生产力的发展,以及如航海、天文、矿
山建设等许多课题要解决,数学也开始研究变化着的量,数学进入了变“量数学”
时代,即微积分不断完善成为一门学科。整个17世纪有数十位科学家为微积分
的创立做了开创性的研究,但使微积分成为数学的一个重要分枝还是牛顿和莱布
尼茨。
二、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限理论来说,早
在我国的古代就有非常详尽的论述,
与此同时,战国时期庄子在《庄子·天下篇》中说“一尺之棰,日取其半,
万世不竭”,体现了无限可分性及极限思想。公元3世纪,刘徽在《九章算术》中
提及割圆术“割之弥细,所失弥小,割之又割,以至于不可割,则与圆周和体而
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无所失矣”用正多边形来逼近圆周。这是极限论思想的成功运用。他的极限思
想和无穷小方法,也是世界古代极限思想的深刻体现。虽然最后是欧洲人真正的
研究和完成了微积分的创立工作,但中国古代数学对于微积分的出色工作也是不
可忽视的。从刘徽对圆锥、圆台、圆柱的体积公式的证明到14世纪初弧矢割圆
术、组合数学、计算技术改革和珠算等数学史上的重要成果,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,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。
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。
三、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。于是几何图形各种量之间可以化为代数量之间
的关系,使得几何与代数在数量上统一了起来。笛卡尔就这样把相互对立着的
数“”与形“”统一起来,从而实现了数学史的一次飞跃,而且更重要的是它为微积
分的成熟提供了必要的条件,从而开拓了变量数学的广阔空间。
四、牛顿的流“数术”
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数学史的另一次飞跃就是研究形“”的变化。17世纪生产力的发展推动了自然
科学和技术的发展,不但已有的数学成果得到进一步巩固、充实和扩大,而且由
于实践的需要,开始研究运动着的物体和变化的量,这样就获得了变量的概念,
研究变化着的量的一般性和它们之间的依赖关系。到了17世纪下半叶,在
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