??極限和微積分的概念可以追溯到古代。到了十七世紀(jì)后半葉,牛頓和萊布尼茨完成了許多數(shù)學(xué)家都參加過準(zhǔn)備的工作,分別獨(dú)立地建立了微積分學(xué)。他們建立微積分的出發(fā)點(diǎn)是直觀的無(wú)窮小量,理論基礎(chǔ)是不牢固的。直到十九世紀(jì),柯西和維爾斯特拉斯建立了極限理論,康托爾等建立了嚴(yán)格的實(shí)數(shù)理論,這門學(xué)科才得以嚴(yán)密化。
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微積分是與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系著發(fā)展起來(lái)的,它在天文學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)及應(yīng)用科學(xué)個(gè)分支中,有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。特別是計(jì)算機(jī)的發(fā)明更有助于這些應(yīng)用的不斷發(fā)展。
微積分學(xué)是微分學(xué)和積分學(xué)的總稱。
客觀世界的一切事物,小至粒子,大至宇宙,始終都在運(yùn)動(dòng)和變化著。
??因此在數(shù)學(xué)中引入了變量的概念后,就有可能把運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象用數(shù)學(xué)來(lái)加以描述了。
由于函數(shù)概念的產(chǎn)生和運(yùn)用的加深,也由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,一門新的數(shù)學(xué)分支就繼解析幾何之后產(chǎn)生了,這就是微積分學(xué)。微積分學(xué)這門學(xué)科在數(shù)學(xué)發(fā)展中的地位是十分重要的,可以說(shuō)它是繼歐氏幾何后,全部數(shù)學(xué)中的最大的一個(gè)創(chuàng)造。
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微積分學(xué)的建立
從微積分成為一門學(xué)科來(lái)說(shuō),是在十七世紀(jì),但是,微分和積分的思想在古代就已經(jīng)產(chǎn)生了。
公元前三世紀(jì),古希臘的阿基米德在研究解決拋物弓形的面積、球和球冠面積、螺線下面積和旋轉(zhuǎn)雙曲體的體積的問題中,就隱含著近代積分學(xué)的思想。
??作為微分學(xué)基礎(chǔ)的極限理論來(lái)說(shuō),早在古代以有比較清楚的論述。比如我國(guó)的莊周所著的《莊子》一書的“天下篇”中,記有“一尺之棰,日取其半,萬(wàn)世不竭”。三國(guó)時(shí)期的劉徽在他的割圓術(shù)中提到“割之彌細(xì),所失彌小,割之又割,以至于不可割,則與圓周和體而無(wú)所失矣。
??”這些都是樸素的、也是很典型的極限概念。
到了十七世紀(jì),有許多科學(xué)問題需要解決,這些問題也就成了促使微積分產(chǎn)生的因素。歸結(jié)起來(lái),大約有四種主要類型的問題:第一類是研究運(yùn)動(dòng)的時(shí)候直接出現(xiàn)的,也就是求即時(shí)速度的問題。第二類問題是求曲線的切線的問題。
??第三類問題是求函數(shù)的最大值和最小值問題。第四類問題是求曲線長(zhǎng)、曲線圍成的面積、曲面圍成的體積、物體的重心、一個(gè)體積相當(dāng)大的物體作用于另一物體上的引力。
十七世紀(jì)的許多著名的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、物理學(xué)家都為解決上述幾類問題作了大量的研究工作,如法國(guó)的費(fèi)爾瑪、笛卡爾、羅伯瓦、笛沙格;英國(guó)的巴羅、瓦里士;德國(guó)的開普勒;意大利的卡瓦列利等人都提出許多很有建樹的理論。
??為微積分的創(chuàng)立做出了貢獻(xiàn)。
十七世紀(jì)下半葉,在前人工作的基礎(chǔ)上,英國(guó)大科學(xué)家牛頓和德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨分別在自己的國(guó)度里獨(dú)自研究和完成了微積分的創(chuàng)立工作,雖然這只是十分初步的工作。他們的最大功績(jī)是把兩個(gè)貌似毫不相關(guān)的問題聯(lián)系在一起,一個(gè)是切線問題(微分學(xué)的中心問題),一個(gè)是求積問題(積分學(xué)的中心問題)。
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牛頓和萊布尼茨建立微積分的出發(fā)點(diǎn)是直觀的無(wú)窮小量,因此這門學(xué)科早期也稱為無(wú)窮小分析,這正是現(xiàn)在數(shù)學(xué)中分析學(xué)這一大分支名稱的來(lái)源。牛頓研究微積分著重于從運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)考慮,萊布尼茨卻是側(cè)重于幾何學(xué)來(lái)考慮的。
牛頓在1671年寫了《流數(shù)法和無(wú)窮級(jí)數(shù)》,這本書直到1736年才出版,它在這本書里指出,變量是由點(diǎn)、線、面的連續(xù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,否定了以前自己認(rèn)為的變量是無(wú)窮小元素的靜止集合。
??他把連續(xù)變量叫做流動(dòng)量,把這些流動(dòng)量的導(dǎo)數(shù)叫做流數(shù)。牛頓在流數(shù)術(shù)中所提出的中心問題是:已知連續(xù)運(yùn)動(dòng)的路徑,求給定時(shí)刻的速度(微分法);已知運(yùn)動(dòng)的速度求給定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的路程(積分法)。
德國(guó)的萊布尼茨是一個(gè)博才多學(xué)的學(xué)者,1684年,他發(fā)表了現(xiàn)在世界上認(rèn)為是最早的微積分文獻(xiàn),這篇文章有一個(gè)很長(zhǎng)而且很古怪的名字《一種求極大極小和切線的新方法,它也適用于分式和無(wú)理量,以及這種新方法的奇妙類型的計(jì)算》。
??就是這樣一片說(shuō)理也頗含糊的文章,卻有劃時(shí)代的意義。他以含有現(xiàn)代的微分符號(hào)和基本微分法則。1686年,萊布尼茨發(fā)表了第一篇積分學(xué)的文獻(xiàn)。他是歷史上最偉大的符號(hào)學(xué)者之一,他所創(chuàng)設(shè)的微積分符號(hào),遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于牛頓的符號(hào),這對(duì)微積分的發(fā)展有極大的影響。現(xiàn)在我們使用的微積分通用符號(hào)就是當(dāng)時(shí)萊布尼茨精心選用的。
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微積分學(xué)的創(chuàng)立,極大地推動(dòng)了數(shù)學(xué)的發(fā)展,過去很多初等數(shù)學(xué)束手無(wú)策的問題,運(yùn)用微積分,往往迎刃而解,顯示出微積分學(xué)的非凡威力。
前面已經(jīng)提到,一門科學(xué)的創(chuàng)立決不是某一個(gè)人的業(yè)績(jī),他必定是經(jīng)過多少人的努力后,在積累了大量成果的基礎(chǔ)上,最后由某個(gè)人或幾個(gè)人總結(jié)完成的。
??微積分也是這樣。
不幸的事,由于人們?cè)谛蕾p微積分的宏偉功效之余,在提出誰(shuí)是這門學(xué)科的創(chuàng)立者的時(shí)候,竟然引起了一場(chǎng)悍然大波,造成了歐洲大陸的數(shù)學(xué)家和英國(guó)數(shù)學(xué)家的長(zhǎng)期對(duì)立。英國(guó)數(shù)學(xué)在一個(gè)時(shí)期里閉關(guān)鎖國(guó),囿于民族偏見,過于拘泥在牛頓的“流數(shù)術(shù)”中停步不前,因而數(shù)學(xué)發(fā)展整整落后了一百年。
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其實(shí),牛頓和萊布尼茨分別是自己獨(dú)立研究,在大體上相近的時(shí)間里先后完成的。比較特殊的是牛頓創(chuàng)立微積分要比萊布尼詞早10年左右,但是整是公開發(fā)表微積分這一理論,萊布尼茨卻要比牛頓發(fā)表早三年。他們的研究各有長(zhǎng)處,也都各有短處。那時(shí)候,由于民族偏見,關(guān)于發(fā)明優(yōu)先權(quán)的爭(zhēng)論竟從1699年始延續(xù)了一百多年。
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應(yīng)該指出,這是和歷史上任何一項(xiàng)重大理論的完成都要經(jīng)歷一段時(shí)間一樣,牛頓和萊布尼茨的工作也都是很不完善的。他們?cè)跓o(wú)窮和無(wú)窮小量這個(gè)問題上,其說(shuō)不一,十分含糊。牛頓的無(wú)窮小量,有時(shí)候是零,有時(shí)候不是零而是有限的小量;萊布尼茨的也不能自圓其說(shuō)。
??這些基礎(chǔ)方面的缺陷,最終導(dǎo)致了第二次數(shù)學(xué)危機(jī)的產(chǎn)生。
直到19世紀(jì)初,法國(guó)科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家以柯西為首,對(duì)微積分的理論進(jìn)行了認(rèn)真研究,建立了極限理論,后來(lái)又經(jīng)過德國(guó)數(shù)學(xué)家維爾斯特拉斯進(jìn)一步的嚴(yán)格化,使極限理論成為了微積分的堅(jiān)定基礎(chǔ)。才使微積分進(jìn)一步的發(fā)展開來(lái)。
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任何新興的、具有無(wú)量前途的科學(xué)成就都吸引著廣大的科學(xué)工作者。在微積分的歷史上也閃爍著這樣的一些明星:瑞士的雅科布·貝努利和他的兄弟約翰·貝努利、歐拉、法國(guó)的拉格朗日、科西……
歐氏幾何也好,上古和中世紀(jì)的代數(shù)學(xué)也好,都是一種常量數(shù)學(xué),微積分才是真正的變量數(shù)學(xué),是數(shù)學(xué)中的大革命。
??微積分是高等數(shù)學(xué)的主要分支,不只是局限在解決力學(xué)中的變速問題,它馳騁在近代和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)園地里,建立了數(shù)不清的豐功偉績(jī)。
微積分的基本內(nèi)容
研究函數(shù),從量的方面研究事物運(yùn)動(dòng)變化是微積分的基本方法。這種方法叫做數(shù)學(xué)分析。
本來(lái)從廣義上說(shuō),數(shù)學(xué)分析包括微積分、函數(shù)論等許多分支學(xué)科,但是現(xiàn)在一般已習(xí)慣于把數(shù)學(xué)分析和微積分等同起來(lái),數(shù)學(xué)分析成了微積分的同義詞,一提數(shù)學(xué)分析就知道是指微積分。
??微積分的基本概念和內(nèi)容包括微分學(xué)和積分學(xué)。
微分學(xué)的主要內(nèi)容包括:極限理論、導(dǎo)數(shù)、微分等。
積分學(xué)的主要內(nèi)容包括:定積分、不定積分等。
微積分是與應(yīng)用聯(lián)系著發(fā)展起來(lái)的,最初牛頓應(yīng)用微積分學(xué)及微分方程為了從萬(wàn)有引力定律導(dǎo)出了開普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律。
??此后,微積分學(xué)極大的推動(dòng)了數(shù)學(xué)的發(fā)展,同時(shí)也極大的推動(dòng)了天文學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)及應(yīng)用科學(xué)各個(gè)分支中的發(fā)展。并在這些學(xué)科中有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,特別是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)更有助于這些應(yīng)用的不斷發(fā)展。