人教版高中数学选修3 1数学史选讲《走进微积分积分发展简史》课件.pptx
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1、走进微积分积分发展简史前前 言言数学发展史上有三次数学危机。每一次数学危机,都是数学发展史上有三次数学危机。每一次数学危机,都是数数学的基本部分(理论)学的基本部分(理论)受到质疑。实际上,也恰恰是这受到质疑。实际上,也恰恰是这三三次危机次危机,引发了数学上的,引发了数学上的三次思想解放三次思想解放,大大推动了数学,大大推动了数学科学的发展。科学的发展。微积分Calculus微分积分微积分学是微分学和积分学的总称。它是一种数学思想,微积分学是微分学和积分学的总称。它是一种数学思想,“无限细分无限细分”就是微分,就是微分,“无限求和无限求和”就是积分。就是积分。1 1、关于、关于微积分的一些符号
2、展示微积分的一些符号展示;2 2、积分的起源、概念的由来积分的起源、概念的由来;3 3、中学中学数学如何定义数学如何定义定积分定积分;4 4、微积分基本定理及注意点。微积分基本定理及注意点。积分积分不定积分定积分 积分学积分学的最基本的概念是关于一元函数的定的最基本的概念是关于一元函数的定积分与不定积分。蕴含在定积分概念中的基本思积分与不定积分。蕴含在定积分概念中的基本思想是通过有限逼近无限。因此极限方法就成为建想是通过有限逼近无限。因此极限方法就成为建立积分学严格理论的基本方法。立积分学严格理论的基本方法。古埃及数字古埃及数字1616、1717世纪,资本主义社会崛起,生产力大大解放,机器化生
3、产逐渐世纪,资本主义社会崛起,生产力大大解放,机器化生产逐渐普及,促使科学急速发展。此时初等数学已不能满足社会的需要,于普及,促使科学急速发展。此时初等数学已不能满足社会的需要,于是数学进入了变量数学时期。在这一时期中,虽然出现了解析几何,是数学进入了变量数学时期。在这一时期中,虽然出现了解析几何,概率论和射影几何等新的分支,但几乎都被微积分过分强大的光辉掩概率论和射影几何等新的分支,但几乎都被微积分过分强大的光辉掩盖了。其发展之迅猛,内容之丰富,应用之广泛,使人目不暇接。盖了。其发展之迅猛,内容之丰富,应用之广泛,使人目不暇接。微积分的产生是数学上的伟大创造,它从生产技术微积分的产生是数学上
4、的伟大创造,它从生产技术和理论科学的需要中产生,又反过来广泛影响着生和理论科学的需要中产生,又反过来广泛影响着生产技术和科学的发展。如今,微积分已是广大科学产技术和科学的发展。如今,微积分已是广大科学工作者以及技术人员不可缺少的工具。工作者以及技术人员不可缺少的工具。与与微分学相比,积分学的起源微分学相比,积分学的起源要早很多。其概念是由求某些面要早很多。其概念是由求某些面积、体积和弧长引起的。积、体积和弧长引起的。一、准备阶段积分学积分学发展的准备阶段主要包括发展的准备阶段主要包括 17 17 世纪中叶以世纪中叶以前定积分思想的萌芽和先驱者们大量的探索前定积分思想的萌芽和先驱者们大量的探索
5、、积累工作积累工作.这个时期随着古希腊灿烂文化的发这个时期随着古希腊灿烂文化的发展展 ,数学也开始散发出它不可抵挡的魅力数学也开始散发出它不可抵挡的魅力.积分积分学发展史的准备阶段大致分为三个时期学发展史的准备阶段大致分为三个时期 1、第一时期 初期的古希腊数学并不是单独的一个分支初期的古希腊数学并不是单独的一个分支 ,而是与而是与天文天文 、哲学密不可分的、哲学密不可分的,其研究对象以几何学为主其研究对象以几何学为主.安提丰提出用安提丰提出用“穷竭法穷竭法”去解决化圆为方问题去解决化圆为方问题 ,是是近代极限理论的雏形近代极限理论的雏形.公元前公元前 5 5 世纪以德谟克利特为代表的世纪以德
6、谟克利特为代表的“原子论原子论”学学派派 ,用原子论的观点解释数学用原子论的观点解释数学 ,他认为他认为 :线段、面线段、面积和立体都是由一些不可再分的原子构成的积和立体都是由一些不可再分的原子构成的 ,而计而计算面积算面积 、体积就是将这些、体积就是将这些“原子原子”累加起来累加起来 ,这种这种不甚严格的推理方法已带有古朴的积分思想不甚严格的推理方法已带有古朴的积分思想 .然后然后他利用他利用“原子论原子论”求出了圆锥的体积求出了圆锥的体积 ,即即 :圆锥体圆锥体积等于具有同底同高的圆柱体积的三分之一积等于具有同底同高的圆柱体积的三分之一.2、第二时期其中在公元前其中在公元前 3 3 世纪数
7、学家兼物理学家阿基米德将穷竭法世纪数学家兼物理学家阿基米德将穷竭法与原子论观点结合起来与原子论观点结合起来 ,获得了许多重要结果获得了许多重要结果 ,例如他在例如他在抛物线图形求积法抛物线图形求积法和和论螺线论螺线中中 ,利用穷竭法利用穷竭法 ,借助借助于几何直观于几何直观 ,求出了求出了抛物线弓形的面积抛物线弓形的面积及及阿基米德螺线阿基米德螺线第一第一周围成的区域的面积周围成的区域的面积 ,其其思想方法是分割求和思想方法是分割求和,逐次逼近逐次逼近.虽然当时还没有极限的概念虽然当时还没有极限的概念 ,不承认无限不承认无限 ,但他的求积方法但他的求积方法已具有了定积分思想的萌芽已具有了定积分
8、思想的萌芽.古希腊的数学逐渐脱离哲学和天文学古希腊的数学逐渐脱离哲学和天文学 ,成为独立的科学成为独立的科学 ,出现了三大数学家出现了三大数学家:欧几里德欧几里德 阿基米德阿基米德 阿波罗尼奥斯阿波罗尼奥斯 抛物线弓形的面积返回阿基米德螺线 阿基米德螺线(亦称等速螺线),得名于公元前三世纪希腊数学家阿基米德。阿基米德螺线是一个点匀速离开一个固定点的同时又以固定的角速度绕该固定点转动而产生的轨迹。阿基米德在其著作螺旋线中对此作了描述。3、第三时期公元公元 5 14 5 14 世纪世纪 ,被认为是欧洲的被认为是欧洲的“黑暗时期黑暗时期”,这个时这个时期数学的发展较为缓慢期数学的发展较为缓慢.直到直
9、到 14 14 世纪末世纪末 ,欧洲资本主义欧洲资本主义萌芽萌芽,人们才继续了数学方面的研究人们才继续了数学方面的研究.整个整个 16 16 世纪世纪 ,积分思想一直围绕着积分思想一直围绕着“求积问题求积问题”发展发展,它包括两个方面它包括两个方面:一个是求平面图形的面积和由曲面包围的一个是求平面图形的面积和由曲面包围的体积体积 ,一个是静力学中计算物体重心和液体压力一个是静力学中计算物体重心和液体压力.德国天德国天文学家文学家、数学家开普勒在他的名著、数学家开普勒在他的名著测量酒桶体积的新科测量酒桶体积的新科学学一书中一书中 ,认为给定的几何图形认为给定的几何图形都是由都是由无穷多个同维数无
10、穷多个同维数的无穷小图形的无穷小图形构成的构成的,用某种特定的方法把这些小图形的用某种特定的方法把这些小图形的面积或体积相加就能得到所求的面积或体积面积或体积相加就能得到所求的面积或体积,他是第一个在他是第一个在求积中运用无穷小方法的数学家求积中运用无穷小方法的数学家.17 17 世纪中叶世纪中叶 ,法国数学家费马、帕斯卡均利用了法国数学家费马、帕斯卡均利用了“分割求分割求和和”及无穷小的性质的观点求积及无穷小的性质的观点求积 ,更加接近现代的求定积更加接近现代的求定积分的方法分的方法.可见可见,利用利用“分割求和分割求和”及无穷小的方法及无穷小的方法,已被已被当时的数学家普遍采用当时的数学家
11、普遍采用 .测量酒桶体积的新科学 开普勒注意到,酒商用来求酒桶体积的方法不准确,于是他用心钻研开普勒注意到,酒商用来求酒桶体积的方法不准确,于是他用心钻研酒桶的体积问题,并于酒桶的体积问题,并于16151615年出了一本叫做年出了一本叫做测量酒桶体积的新科学测量酒桶体积的新科学。这里,我们需要指出的是,在阿基米德的方法中,图形被分解为元素这里,我们需要指出的是,在阿基米德的方法中,图形被分解为元素的个数是取成有限的个数,并有有限的宽度或厚度。在开普勒的方法中,的个数是取成有限的个数,并有有限的宽度或厚度。在开普勒的方法中,图形分解为元素的个数被看成是无限的,但元素不是完全没有宽度或厚度图形分解
12、为元素的个数被看成是无限的,但元素不是完全没有宽度或厚度的。他说到了所谓的。他说到了所谓“纤细的小圈纤细的小圈”或或“宽度极小如线的部分宽度极小如线的部分”等等。等等。开普勒把图形分解为由无限多个元素所组成,并认为一个无穷小元素开普勒把图形分解为由无限多个元素所组成,并认为一个无穷小元素通过连续变化可得到另一个新的图形。如圆可以看成是无数个三角形(每通过连续变化可得到另一个新的图形。如圆可以看成是无数个三角形(每个三角形的顶点在圆心,底在圆周上)的和,而这些无穷小的三角形通过个三角形的顶点在圆心,底在圆周上)的和,而这些无穷小的三角形通过连续变化便可得到圆。因此在开普勒的思想中,这连续变化便可
13、得到圆。因此在开普勒的思想中,这无限多个微小元素的组无限多个微小元素的组合合便和原来的图形没有任何区别。这种意义不明确的便和原来的图形没有任何区别。这种意义不明确的“连续性原理连续性原理”构成构成了开普勒方法的基本思想支柱。了开普勒方法的基本思想支柱。开普勒还在开普勒还在测量酒桶体积的新科学测量酒桶体积的新科学的标题为的标题为“对阿基米德的补充对阿基米德的补充”的部分标出了的部分标出了8787种这样的旋转体的体积。种这样的旋转体的体积。返回测量酒桶体积的新科学把圆面积看成是无限多个顶点在圆心、底在圆上的等腰三角形面积之和,这样一来,显然圆面积等于圆周长与半径的乘积之半。把球体积看成是顶点在球心
14、、底面在球面上的无穷多个小锥体的体积之和用无数个同维无限小元素之和来确定曲边型的面积和旋转体的体积返回4、中国古代的极限思想4、中国古代的极限思想4、中国古代的极限思想二、创立阶段1717世纪下半叶,欧洲科学技术迅猛发展,由于生产世纪下半叶,欧洲科学技术迅猛发展,由于生产力的提高和社会各方面的迫切需要,经各国科学家力的提高和社会各方面的迫切需要,经各国科学家的努力与历史的积累,建立在函数与极限概念基础的努力与历史的积累,建立在函数与极限概念基础上的微积分理论应运而生了。而在以前,微分和积上的微积分理论应运而生了。而在以前,微分和积分作为两种数学运算、两类数学问题,是分别加以分作为两种数学运算、
15、两类数学问题,是分别加以研究的。研究的。1、奠定基础:笛卡尔的解析几何 笛卡尔笛卡尔16371637年发表了年发表了科学中的正确运用理性和追求真理的方法论科学中的正确运用理性和追求真理的方法论(简称(简称方法论方法论),从而确立了解析几何,表明了几何问题不仅可以),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
16、知数之间的关系,表认为点移动成线,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方程与曲线之间建立起对应关系起对应关系。此外,笛卡尔打破了表示体积面积及长度的量之间不可相。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的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的“数数”与与“形形”统一起来,从而实
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