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第18章 函数(7)

1.延长线;2.正弦;3.负数;4.对顶角;5.绝对值;6.分子分母;7.开方;8.百无一是;9.一成不变;10.千变万化;11.近似;12.平行;13.循环;14.真分数;15.商;16.直径;17.代数;18.最大公约数;19.循环节。

发明计算尺的功臣——奥特雷德

奥特雷德,英国数学家。1574年3月5日生于白金汉郡伊顿;1660年6月30日死于阿尔伯里。

奥特雷德职业是位牧师,并不是职业数学家,但这并没多大差别,因为他几乎把所有能用的时间都花在数学上,甚至于有时他一个晚上只睡两、三个小时。

1631年他出版一本数学教科书,其中他引入乘法符号(×)以及现在还通用的三角函数的简写:用sin、cos及tan表示正弦、余弦及正切。

然而,他最大的发明是1622年发明由两根刻有对数刻度的尺,通过操纵两尺并使之相互之间滑动,可以利用对数机械地进行计算。这就是我们现在的计算尺,从那时起工程师视若珍宝地携带它,正如医生带着听诊器及压舌板一样。

后来逐渐演变成近代熟悉的计算尺。直到口袋型计算器发明之前,有一整个世代的工程师,以及跟数学沾上边的专业人士都使用过计算尺。美国阿波罗计划里的工程师甚至利用计算尺就将人类送上了月球,其精确度达到3或4位的有效数位。

中西文化交流之倡导者——莱布尼兹

莱布尼兹(1646—1716年)是17、18世纪之交德国最重要的数学家、物理学家和哲学家,一个举世罕见的科学天才。他博览群书,涉猎百科,对丰富人类的科学知识宝库做出了不可磨灭的贡献。

莱布尼兹对中国的科学、文化和哲学思想十分关注,他是最早研究中国文化和中国哲学的德国人。他向耶稣会来华传教士格里马尔迪了解到了许多有关中国的情况,包括养蚕纺织、造纸印染、冶金矿产、天文地理、数学文字等等,并将这些资料编辑成册出版。他认为中西相互之间应建立一种交流认识的新型关系。

在《中国近况》一书的绪论中,莱布尼兹写道:“全人类最伟大的文化和最发达的文明仿佛今天汇集在我们大陆的两端,即汇集在欧洲和位于地球另一端的东方的欧洲——中国。”“中国这一文明古国与欧洲相比,面积相当,但人口数量则已超过”。“在日常生活以及经验地应付自然的技能方面,我们是不分伯仲的。我们双方各自都具备通过相互交流使对方受益的技能。在思考的缜密和理性的思辨方面,显然我们要略胜一筹”,但“在时间哲学,即在生活与人类实际方面的伦理以及治国学说方面,我们实在是相形见绌了”。

在这里,莱布尼兹不仅显示出了不带“欧洲中心论”色彩的虚心好学精神,而且为中西文化双向交流描绘了宏伟的蓝图,极力推动这种交流向纵深发展,使东西方人民相互学习,取长补短,共同繁荣进步。

莱布尼兹为促进中西文化交流做出了毕生的努力,产生了广泛而深远的影响。他的虚心好学、对中国文化平等相待,不含“欧洲中心论”偏见的精神尤为难能可贵,值得后世永远敬仰、效仿。

莱布尼兹一生中奋斗的主要目标是寻求一种可以获得知识和创造发明的普遍方法,这种努力导致许多数学的发现。莱布尼兹的多才多艺在历史上很少有人能和他相比,他的研究领域及其成果遍及数学、物理学、力学、逻辑学、生物学、化学、地理学、解剖学、动物学、植物学、气体学、航海学、地质学、语言学、法学、哲学、历史和外交等等。

1693年,莱布尼兹发表了一篇关于地球起源的文章,后来扩充为《原始地球》一书,提出了地球中火成岩、沉积岩的形成原因。对于地层中的生物化石,他认为这些化石反映了生物物种的不断发展,这种现象的终极原因是自然界的变化,而非偶然的神迹。他的地球成因学说,尤其是他的宇宙进化和地球演化的思想,启发了拉马克、赖尔等人,在一定程度上促进了19世纪地质学理论的进展。

1677年,他写成《磷发现史》,对磷元素的性质和提取作了论述。他还提出了分离化学制品和使水脱盐的技术。

在生物学方面,莱布尼兹在1714年发表的《单子论》等著作中,从哲学角度提出了有机论方面的种种观点。他认为存在着介乎于动物、植物之间的生物,水螅虫的发现证明了他的观点。

在气象学方面,他曾亲自组织人力进行过大气压和天气状况的观察。

在形式逻辑方面,他区分和研究了理性的真理(必然性命题)、事实的真理(偶然性命题),并在逻辑学中引入了“充足理由律”。后来被人们认为是一条基本思维定律。

1696年,莱布尼兹提出了心理学方面的身心平行论,他强调统觉作用,与笛卡尔的交互作用论、斯宾诺莎的一元论构成了当时心理学三大理论。他还提出了“下意识”理论的初步思想。

1691年,莱布尼兹致信巴本,提出了蒸汽机的基本思想。

1700年前后,他提出了无液气压原理,完全省掉了液柱,这在气压机发展史上起了重要作用。

法学是莱布尼兹获得过学位的学科,1667年曾发表了《法学教学新法》,他在法学方面有一系列深刻的思想。

1677年,莱布尼兹发表《通向一种普通文字》,以后他长时期致力于普遍文字思想的研究,对逻辑学、语言学做出了一定贡献。今天,人们公认他是世界语的先驱。

作为著名的哲学家,他的哲学主要是“单子论”、“前定和谐论”及自然哲学理论。其学说与其弟子沃尔夫的理论相结合,形成了莱布尼兹—沃尔夫体系,极大地影响了德国哲学的发展,尤其是影响了康德的哲学思想。他开创的德国自然哲学经过沃尔夫、康德、歌德到黑格尔得到了长足的发展。

在莱布尼兹从事学术研究的生涯中,他发表了大量的学术论文,还有不少文稿生前未发表。在数学方面,格哈特编辑的七卷本《数学全书》是莱布尼兹数学研究较完整的代表性著作。格哈特还编辑过七卷本的《哲学全书》。已出版的各种各样的选集、著作集、书信集多达几十种,从中可以看到莱布尼兹的主要学术成就。今天,还有专门的莱布尼兹研究学术刊物“Leibniz”,可见其在科学史、文化史上的重要地位。

在坎坷中奋起的数学家——柯西

柯西1789年8月21出生于巴黎,他的父亲路易·弗朗索瓦·柯西是法国波旁王朝的官员,在法国动荡的政治漩涡中一直担任公职。由于家庭的原因,柯西本人属于拥护波旁王朝的正统派,是一位虔诚的天主教徒。

他在纯数学和应用数学的功力是相当深厚的,很多数学的定理和公式也都以他的名字来称呼,如柯西不等式、柯西积分公式……在数学写作上,他是被认为在数量上仅次于欧拉的人,他一生一共著作了789篇论文和几本书,其中有些还是经典之作,不过并不是他所有的创作质量都很高,因此他还曾被人批评高产而轻率,这点倒是与数学王子高斯相反,据说,法国科学院“会刊”创刊的时候,由于柯西的作品实在太多,以至于科学院要负担很大的印刷费用,超出科学院的预算,因此,科学院后来规定论文最长的只能有四页,所以,柯西较长的论文只得投稿到其他地方。

柯西在幼年时,他的父亲常带领他到法国参议院内的办公室,并且在那里指导他进行学习,因此他有机会遇到参议员拉普拉斯和拉格朗日两位大数学家。他们对他的才能十分赏识;拉格朗日认为他将来必定会成为大数学家,但建议他的父亲在他学好文科前不要学数学。

柯西于1802年入中学。在中学时,他的拉丁文和希腊文取得优异成绩,多次参加竞赛获奖;数学成绩也深受老师赞扬。他于1805年考入综合工科学校,在那里主要学习数学和力学;1807年考入桥梁公路学校,1810年以优异成绩毕业,前往瑟堡参加海港建设工程。

柯西去瑟堡时携带了拉格朗日的解析函数论和拉普拉斯的天体力学,后来还陆续收到从巴黎寄出或从当地借得的一些数学书。他在业余时间悉心攻读有关数学各分支方面的书籍,从数论直到天文学方面。根据拉格朗日的建议,他进行了多面体的研究,并于1811及1812年向科学院提交了两篇论文,其中主要成果是:

(1)证明了凸正多面体只有五种(面数分别是4,6,8,12,20),星形正多面体只有四种(面数是12的三种,面数是20的一种)。

(2)得到了欧拉关于多面体的顶点、面和棱的个数关系式的另一证明并加以推广。

(3)证明了各面固定的多面体必然是固定的,从此可导出从未证明过的欧几里德的一个定理。

这两篇论文在数学界造成了极大的影响。柯西在瑟堡由于工作劳累生病,于1812年回到巴黎他的父母家中休养。

柯西于1813年在巴黎被任命为运河工程的工程师,他在巴黎休养和担任工程师期间,继续潜心研究数学并且参加学术活动。这一时期他的主要贡献是:

(1)研究代换理论,发表了代换理论和群论在历史上的基本论文。

(2)证明了费马关于多角形数的猜测,即任何正整数是个角形数的和。这一猜测当时已提出了一百多年,经过许多数学家研究,都没有能够解决。

以上两项研究是柯西在瑟堡时开始进行的。

(3)用复变函数的积分计算实积分,这是复变函数论中柯西积分定理的出发点。

(4)研究液体表面波的传播问题,得到流体力学中的一些经典结果,于1815年得法国科学院数学大奖。

以上突出成果的发表给柯西带来了很高的声誉,他成为当时一位国际上著名的青年数学家。

1815年法国拿破仑失败,波旁王朝复辟,路易十八当上了法王。柯西于1816年先后被任命为法国科学院院士和综合工科学校教授。1821年又被任命为巴黎大学力学教授,还曾在法兰西学院授课。这一时期他的主要贡献是:

(1)在综合工科学校讲授分析课程,建立了微积分的基础极限理论,还阐明了极限理论。在此以前,微积分和级数的概念是模糊不清的。由于柯西的讲法与传统方式不同,当时学校师生对他提出了许多非议。

柯西在这一时期出版的著作有《代数分析教程》、《无穷小分析教程概要》和《微积分在几何中应用教程》。这些工作为微积分奠定了基础,促进了数学的发展,成为数学教程的典范。

(2)柯西在担任巴黎大学力学教授后,重新研究连续介质力学。在1822年的一篇论文中,他建立了弹性理论的基础。

(3)继续研究复平面上的积分及留数计算,并应用有关结果研究数学物理中的偏微分方程等。

他的大量论文分别在法国科学院论文集和他自己编写的期刊“数学习题”上发表。

1830年法国爆发了推翻波旁王朝的革命,法王查理第十仓皇逃走,奥尔良公爵路易·菲力浦继任法王。当时规定在法国担任公职必须宣誓对新法王效忠,由于柯西属于拥护波旁王朝的正统派,他拒绝宣誓效忠,并自行离开法国。他先到瑞士,后于1832—1833年任意大利都灵大学数学物理教授,并参加当地科学院的学术活动。那时他研究了复变函数的级数展开和微分方程(强级数法),并为此作出重要贡献。

1833—1838年柯西先在布拉格、后在戈尔兹担任波旁王朝“王储”波尔多公爵的教师,最后被授予“男爵”封号。在此期间,他的研究工作进行得较少。

1838年柯西回到巴黎。由于他没有宣誓对法王效忠,只能参加科学院的学术活动,不能担任教学工作。他在创办不久的法国科学院报告“和他自己编写的期刊分析及数学物理习题”上发表了关于复变函数、天体力学、弹性力学等方面的大批重要论文。

1848年法国又爆发了革命,路易·菲力浦倒台,重新建立了共和国,废除了公职人员对法王效忠的宣誓。柯西于1848年担任了巴黎大学数理天文学教授,重新进行他在法国高等学校中断了18年的教学工作。

1852年拿破仑第三发动政变,法国从共和国变成了帝国,恢复了公职人员对新政权的效忠宣誓,柯西立即向巴黎大学辞职。后来拿破仑第三特准免除他和物理学家阿拉果的忠诚宣誓。于是柯西得以继续进行所担任的教学工作,直到1857年他在巴黎近郊逝世时为止。柯西直到逝世前仍不断参加学术活动,不断发表科学论文。

1857年5月23日,他突然去世,享年68岁,他因为热病去世,临终前,他还与巴黎大主教在说话,他说的最后一句话是:“人总是要死的,但是,他们的功绩永存。”

柯西是一位多产的数学家,他的全集从1882年开始出版到1974年才出齐最后一卷,总计28卷。他的主要贡献如下:

(一)单复变函数

柯西最重要和最有首创性的工作是关于单复变函数论的。18世纪的数学家们采用过上、下限是虚数的定积分。但没有给出明确的定义。柯西首先阐明了有关概念,并且用这种积分来研究多种多样的问题,如实定积分的计算,级数与无穷乘积的展开,用含参变量的积分表示微分方程的解等等。

(二)分析基础

柯西在综合工科学校所授分析课程及有关教材给数学界造成了极大的影响。自从牛顿和莱布尼兹发明微积分(即无穷小分析,简称分析)以来,这门学科的理论基础是模糊的。为了进一步发展,必须建立严格的理论。柯西为此首先成功地建立了极限论。

在柯西的著作中,没有通行的语言,他的说法看来也不够确切,从而有时也有错误,例如由于没有建立一致连续和一致收敛概念而产生的错误。可是关于微积分的原理,他的概念主要是正确的,其清晰程度是前所未有的。例如他关于连续函数及其积分的定义是确切的,他首先准确地证明了泰勒公式,他给出了级数收敛的定义和一些判别法。

(三)常微分方程

柯西在分析方面最深刻的贡献在常微分方程领域。他首先证明了方程解的存在和惟一性。在他以前,没有人提出过这种问题。通常认为是柯西提出的三种主要方法,即柯西—利普希茨法,逐渐逼近法和强级数法,实际上以前也散见到用于解的近似计算和估计。柯西的最大贡献就是看到通过计算强级数,可以证明逼近步骤收敛,其极限就是方程的所求解。

(四)其他贡献

虽然柯西主要研究分析,但在数学中各领域都有贡献。关于用到数学的其他学科,他在天文和光学方面的成果是次要的,可是他却是数理弹性理论的奠基人之一。除以上所述外,他在数学中其他贡献如下:

1.分析方面:在一阶偏微分方程论中行进丁特征线的基本概念;认识到傅里叶变换在解微分方程中的作用等等。

2.几何方面:开创了积分几何,得到了把平面凸曲线的长用它在平面直线上一些正交投影表示出来的公式。