书城教材教辅新课改·高一数学备课素材
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第12章 函数(1)

函数概念的发展

数学史表明,重要的数学概念的产生和发展,对数学发展起着不可估量的作用,有些重要的数学概念对数学分支的产生起着奠定性的作用。函数就是这样的重要概念。

回顾一下函数概念的发展史看一看函数概念不断被精炼、深化、丰富的历史过程,是一件十分有益的事情。

马克思曾经认为,函数概念来源于代数学中不定方程的研究。由于罗马时代的刁藩都对不定方程已有相当研究,所以函数概念至少在那时已经萌芽。

自哥白尼的天文学革命以后,运动就成了文艺复兴时期科学家共同感兴趣的问题,人们在思索:既然地球不是宇宙中心,它本身又有自转和公转,那么下降的物体为什么不发生偏斜而还要垂直下落到地球上?行星运行的轨道是椭圆,原理是什么?还有,研究在地球表面上抛射物体的路线、射程和所能达到的高度,以及炮弹速度对于高度和射程的影响等问题,既是科学家的力图解决的问题,也是军事家要求解决的问题,函数概念就是从运动的研究中引申出的一个数学概念,这是函数概念的力学来源。

早在函数概念尚未明确提出以前,数学家已经接触并研究了不少具体的函数,比如对数函数、三角函数、双曲函数等等。1673年前后笛卡尔在他的解析几何中,已经注意到了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,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。

1673年,莱布尼兹首次使用函数一词表示“幂”,后来他用该词表示曲线上点的横坐标、纵坐标、切线长等曲线上点的有关几何量。由此可以看出,函数一词最初的数学含义是相当广泛而较为模糊的,几乎与此同时,牛顿在微积分的讨论中,使用另一名词“流量”来表示变量间的关系,直到1689年,瑞士数学家约翰·贝努里才在莱布尼兹函数概念的基础上,对函数概念进行了明确定义,贝努里把变量x和常量按任何方式构成的量叫“x的函数”,表示为y(x)。

当时,由于连接变数与常数的运算主要是算术运算、三角运算、指数运算和对数运算,所以后来欧拉就索性把用这些运算连接变数x和常数c而成的式子,取名为解析函数,还将它分成了“代数函数”与“超越函数”。

18世纪中叶,由于研究弦振动问题,达朗贝尔与欧拉先后引出了“任意的函数”的说法;在解释“任意的函数”概念的时候,达朗贝尔说是指“任意的解析式”;而欧拉则认为是“任意画出的一条曲线”。现在看来这都是函数的表达方式,是函数概念的外延。

函数概念缺乏科学的定义,引起了理论与实践的尖锐矛盾。例如,偏微分方程在工程技术中有广泛应用,但由于没有函数的科学定义,就极大地限制了偏微分方程理论的建立。1833年至1834年,高斯开始把注意力转向物理学。他在和W·威伯尔合作发明电报的过程中,做了许多关于磁的实验工作,提出了“力与距离的平方成反比例”这个重要的理论,使得函数作为数学的一个独立分支而出现了,实际的需要促使人们对函数的定义进一步研究。

后来,人们又给出了这样的定义:如果一个量依赖着另一个量,当后一量变化时前一量也随着变化,那么第一个量称为第二个量的函数。“这个定义虽然还没有道出函数的本质,但却把变化、运动注入到函数定义中去,是可喜的进步。”

在函数概念发展史上,法国数学家富里埃的工作影响最大,富里埃深刻地揭示了函数的本质,主张函数不必局限于解析表达式。1822年,他在名著《热的解析理论》中说,“通常,函数表示相接的一组值或纵坐标,它们中的每一个都是任意的……我们不假定这些纵坐标服从一个共同的规律;他们以任何方式一个挨一个。”在该书中,他用一个三角级数和的形式表达了一个由不连续的“线”所给出的函数。更确切地说就是,任意一个以2π为周期函数,在〔—π,π〕区间内,可以由级数和表示出,其中富里埃的研究,从根本上动摇了旧的关于函数概念的传统思想,在当时的数学界引起了很大的震动。原来,在解析式和曲线之间并不存在不可逾越的鸿沟,级数把解析式和曲线沟通了,那种视函数为解析式的观点终于成为揭示函数关系的巨大障碍。

通过一场争论,产生了罗巴切夫斯基和狄里克雷的函数定义。

1834年,俄国数学家罗巴切夫斯基进一步提出函数的定义:“x的函数是这样的一个数,它对于每一个x都有确定的值,并且随着x一起变化。函数值可以由解析式给出,也可以由一个条件给出,这个条件提供了一种寻求全部对应值的方法。函数的这种依赖关系可以存在,但仍然是未知的。”这个定义指出了对应关系(条件)的必要性,利用这个关系以求出每一个x的对应值。

1837年,德国数学家狄里克雷认为怎样去建立x与y之间的对应关系是无关紧要的,所以他的定义是:“如果对于x的每一个值,y总有一个完全确定的值与之对应,则y是x的函数。”这个定义抓住了概念的本质属性,变量y称为x的函数,只须有一个法则存在,使得这个函数取值范围中的每一个值,有一个确定的y值和它对应就行了,不管这个法则是公式或图象或表格或其他形式。这个定义比前面的定义带有普遍性,为理论研究和实际应用提供了方便。因此,这个定义曾被比较长期的使用着。至此,我们可以说,函数概念、函数的本质定义已经形成,这就是人们常说的经典函数定义。

自从德国数学家康托尔的集合论被大家接受后,1914年豪斯道夫在《集合论纲要》中用“序偶”来定义函数。其优点是避开了意义不明确的“变量”、“对应”概念,其不足之处是又引入了不明确的概念“序偶”。库拉托夫斯基于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。

函数概念的定义经过三百多年的锤炼、变革,形成了函数的现代定义形式,但这并不意味着函数概念发展的历史终结,20世纪40年代,物理学研究的需要发现了一种叫做Dirac—δ函数,它只在一点处不为零,而它在全直线上的积分却等于1,这在原来的函数和积分的定义下是不可思议的,但由于广义函数概念的引入,把函数、测度及以上所述的Dirac—δ函数等概念统一了起来。因此,随着以数学为基础的其他学科的发展,函数的概念还会继续扩展。中文数学书上使用的“函数”一词是转译词。是我国清代数学家李善兰在翻译《代数学》(1895年)一书时,把“function”译成——函数。中国古代“函”字与“含”字通用,都有着“包含”的意思,李善兰给出的定义是:“凡式中含天,为天之函数。”中国古代用天、地、人、物4个字来表示4个不同的未知数或变量这个定义的含义是:“凡是公式中含有变量x,则该式子叫做x的函数。”所以“函数”是指公式里含有变量的意思。

遗憾的斯蒂费尔

16世纪的欧洲随着资本主义的迅速发展,科学和技术也一改中世纪停滞不前的局面。天文、航海、测绘、造船等行业不断向数学提出新的课题。有一个集中暴露出来令人头痛的问题是:在星体的轨道计算,船只的位置确定,大地的形貌测绘,船舶的结构设计等一系列课题中,人们所遇的数据越来越繁杂,所需的计算越来越繁难!无数的乘除、乘方、开方和其他运算,耗费了科学家们大量的极为宝贵的时间和精力。

面对这种局面,数学家们终于出来急其所难,各种门类的表格:平方表、立方表、平方根表、圆面积表等等,便应运而生,人类就这么在表格的海洋中茫然地行驶了半个多世纪,直至16世纪40年代,才迎来了希望的曙光。

公元1544年,著名的哥尼斯堡大学教授,德国数学家斯蒂费尔(1487—1567年),在简化大数计算方面迈出了重要的一步。在《普通算术》一书中,斯蒂费尔宣布自己发现了一种有关整数的奇妙性质,他认为:“为此,人们甚至可以写出整本整本的书……”

那么,斯蒂费尔究竟发现了什么呢?原来他如同下表比较了两种数列:等比数列和等差数列。

斯蒂费尔把等比数列的各数称为“原数”,而把等差数列的对应数称为“代表者”(即后来的“指数”)。他惊奇地发现:等比数列中的两数相乘,其乘积的“代表者”,刚好等于等差数列中相应两个“代表者”之和;而等比数列中的两数相除,其商的“代表者”,也恰等于等差数列中两个“代表者”之差。斯蒂费尔得出的结论是:可以通过如同上面那样的比较,把乘除运算化为加减运算!

可以说,斯蒂费尔已经走到了一个重大发现的边缘。因为他所讲的“代表者”y,实际上就是现在以2为底x的对数y=logx2而使斯蒂费尔惊喜万分的整数性质就是:

log2(M·N)=log2M+log2N

log2(MN)=log2M—log2N

历史常常惊人地重复着这样的人和事:当发现已经降临到眼皮底下,只缘一念之差,却被轻轻错过!斯蒂费尔大约就是其中令人惋惜的一个。他困惑于自己的表格为什么可以算出16×256=4096,却算不出更简单的16×250=4000。他终于没能看出在离散中隐含着的连续,而是感叹于自己研究问题的“狭窄”,从而在伟大的发现面前,把脚缩了回去!

纳皮尔与对数

对数是中学初等数学中的重要内容,那么当初是谁首创“对数”这种高级运算的呢?在数学史上,一般认为对数的发明者是16世纪末到17世纪初的苏格兰数学家——纳皮尔(1550—1617年)男爵。

在纳皮尔所处的年代,哥白尼的“太阳中心说”刚刚开始流行,这导致天文学成为当时的热门学科。可是由于当时常量数学的局限性,天文学家们不得不花费很大的精力去计算那些繁杂的“天文数字”,因此浪费了若干年甚至毕生的宝贵时间。纳皮尔也是当时的一位天文爱好者,为了简化计算,他多年潜心研究大数字的计算技术,终于独立发明了对数。

纳皮尔出身于贵族家庭,天资聪慧,才思敏捷,从小又受家庭的良好熏陶,13岁便进入了圣安德鲁斯大学的一个学院学习。16岁出国留学,学识因之大进。公元1571年,纳皮尔抱志回国,先是从事于天文、机械和数学的研究,并深为复杂的计算所苦恼。公元1590年,纳皮尔改弦更张,潜心于简化计算的工作。他匠心独运,终于在斯蒂费尔的足迹上,向前迈出了具有划时代意义的一步!

当然,纳皮尔所发明的对数,在形式上与现代数学中的对数理论并不完全一样。在纳皮尔那个时代,“指数”这个概念还尚未形成,因此纳皮尔并不是像现行代数课本中那样,通过指数来引出对数,而是通过研究直线运动得出对数概念的。

那么,当时纳皮尔所发明的对数运算,是怎么一回事呢?在那个时代,计算多位数之间的乘积,还是十分复杂的运算,因此纳皮尔首先发明了一种计算特殊多位数之间乘积的方法。让我们来看看下面这个例子:

0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、……

1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048、4096、8192、16384、……

这两行数字之间的关系是极为明确的:第一行表示2的指数,第二行表示2的对应幂。如果我们要计算第二行中两个数的乘积,可以通过第一行对应数字的加和来实现。

比如,计算64×256的值,就可以先查询第一行的对应数字:64对应6,256对应8;然后再把第一行中的对应数字加和起来:6+8=14;第一行中的14,对应第二行中的16384,所以有:64×256=16384。

纳皮尔的这种计算方法,实际上已经完全是现代数学中“对数运算”的思想了。回忆一下,在中学“运用对数简化计算”中采用的不正是这种思路吗?计算两个复杂数的乘积,先查《常用对数表》,找到这两个复杂数的常用对数,再把这两个常用对数值相加,再通过《常用对数的反对数表》查出加和值的反对数值,就是原先那两个复杂数的乘积了。这种“化乘除为加减”,从而达到简化计算的思路,不正是对数运算的明显特征吗?

公元1594年,纳皮尔开始精心编制可供实用的对数表。在经历了7300个日日夜夜之后,一本厚达200页的八位对数表终于诞生了!公元1614年,纳皮尔发表了《关于奇妙的对数法则的说明》一书,书中论述了对数的性质,给出了有关对数表的使用规则和实例。纳皮尔终于用自己20年的计算,换来了人世间无数寿命的延续!法国大数学家拉普拉斯说得好:“如果一个人的生命是拿他一生中的工作多少来衡量,那么对数的发明,等于延长了人类的寿命!”

不幸的是,纳皮尔的工作虽然延长了他人的寿命,却没能使自己的生命得以延长。就在纳皮尔著作发表后的第三个年头,公元1617年,这位永受后人缅怀的杰出数学家,终因劳累过度,不幸谢世。

对数是17世纪人类最重大的发现之一。在数学史上,纳皮尔的对数、笛卡尔的解析几何及牛顿—莱布尼兹的微积分三者齐名,被誉为“历史上最重要的数学方法”!

对数于1653年传入我国。公元1664年,我国学者薛风祚(?—1680年)编译了《天学会通》丛书。在国内,这是第一部介绍对数和对数表的著作。

数学证明的推导过程

数学逻辑演绎是根据或公理化的方法建立起来的,数学证明只是证明了人为规定性的内容,证明只是在人为规定的范围内有效,一旦失去适用的前提则完全失效。数学证明只能证明在人为规定性上的公理化正确,然而人为规定性的公理化却无法解决自身所存在的困难,无法保证正确。证明或推导又是在这个基础上进行的,难道不会发生问题吗?

数学证明是严密的,数学的内部结构是非常严格严密严谨的,可是前置的前提基础却是极其脆弱的充满了危机,有可能存在严重的虚假问题。数学认识上的形式系统只是在数学体系内存在,而公理系统的前提基础却在数学系统以外,在数学体系外失效,正确与错误不是数学所能解决得了的。