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简述牛顿和莱布尼茨的微积分思想,史话牛顿和莱布尼茨发现微分与积分的互逆运算关系

简述牛顿和莱布尼茨的微积分思想,史话牛顿和莱布尼茨发现微分与积分的互逆运算关系由此可得曲线c绕x轴旋转所得旋转体的表面积为s=∫2πyds-∫2πndx若以ds表特征三角形的斜边,过P点的法线长为n,则有ds/n=dx/y,即yds= ndx,求和得∫yds=∫ndx②莱布尼茨创立微积分首先是出于对几何问题的思考,尤其是对特征三角形的研究,于1673年莱布尼茨提出了自己的“特征(直角)三角形”。莱布尼茨是这样考虑的:如图上图所示,设曲线c通过原点,P(x,y)为曲线c上的任一点,过P作法线交x轴于N,从P点的垂足H到N的距离V(称为次法线)是x的函数,则从o到x的面积为1/2y^2。在P点的无穷小邻近曲线上取一点Q,以PQ为“斜边”作一“特征(直角)三角形△PQR”,其两段PR RQ为无穷小变化量dx和dy,则Rt△PQR~Rt△PNH,于是有dy/v=dx/y,即vdx=ydy,求和得

1 近代数学的兴起

近代数学的兴起始于16世纪,首先是代数学,如三角学从天文学中分离出来,透视法产生射影几何,对数的发明改进了计算,但其主要的成就应是三次和四次代数方程求解的突破,代数的符号化。

2 解析几何的诞生

进入17世纪以后,各式各样的数学理论和分支如雨后春笋般茁壮成长。从本质上讲,近代数学是关于变量的数学。文艺复兴以来资本主义生产力的发展,对科学技术提出了全新的要求。例如,机械的普遍使用引发了对机械运动的研究;由贸易带动的航海业的发展要求更精确和便捷地测定船舶的位置,这需要研究天体运动的规律;武器的改进则推动了弹道问题的研究。所有这些问题都表明,对运动和变化的研究已成为自然科学研究和数学研究的中心问题。

变量数学的第一个里程碑是解析几何的发明。作为几何学的一个分支,解析几何的基本思想是在平面中引进坐标的概念,因此它又被称为坐标几何。用解析几何的方法,我们可以将任何一个形如f(x y)=0的代数方程(通过方程的解)与平面上的一条曲线对应起来。这样一来,一方面,几何问题也就可以转化为代数问题,再通过对代数问题的研究就可以发现新的几何问题。另一方面,代数问题也就有了几何意义的解释。

3 微积分学的先驱

微积分特别是积分学的萌芽,可以追溯到古代。面积、体积的计算自古以来一直是数学家们感兴趣的问题,在古代希腊、中国和印度的著述中,不乏用无限小的过程计算特殊形状的面积、体积和曲线长的例子。其中包括阿基米德和祖冲之父子,他们成功地求出了球的体积;芝诺的悖论则表明,一个普通的常量也可以被无限划分。在微分学方面,阿基米德和阿波罗尼奥斯分别讨论过螺线和圆锥曲线的切线,但这些都只是个别的或静态的。

莱布尼茨创立微积分首先是出于对几何问题的思考,尤其是对特征三角形的研究,于1673年莱布尼茨提出了自己的“特征(直角)三角形”。莱布尼茨是这样考虑的:

如图上图所示,设曲线c通过原点,P(x,y)为曲线c上的任一点,过P作法线交x轴于N,从P点的垂足H到N的距离V(称为次法线)是x的函数,则从o到x的面积为1/2y^2。

在P点的无穷小邻近曲线上取一点Q,以PQ为“斜边”作一“特征(直角)三角形△PQR”,其两段PR RQ为无穷小变化量dx和dy,则Rt△PQR~Rt△PNH,于是有dy/v=dx/y,即vdx=ydy,求和得

简述牛顿和莱布尼茨的微积分思想,史话牛顿和莱布尼茨发现微分与积分的互逆运算关系(1)

若以ds表特征三角形的斜边,过P点的法线长为n,则有ds/n=dx/y,即yds= ndx,求和得∫yds=∫ndx②

由此可得曲线c绕x轴旋转所得旋转体的表面积为s=∫2πyds-∫2πndx

因当时还没有积分符号,莱布尼茨是这样用语言来描述他这一重要结果的:

“由一条曲线的法线形成的图形,即将这些法线(在圆中即为半径),按纵坐标方向置于轴上所形成的图形,其面积与曲线绕轴旋转而成的立体的面积成正比。”

早在1666年,莱布尼茨就在《论组合的艺术》一文中考察过下列平方数数列:

0,1,4,9,16,25,36,...

其一阶差是

1,3,5,7,9,11,...

二阶差是

2 2 2 2 2 ...

他注意到一阶差的和对应于原数列,求和与求差成互逆关系,由此他联想到微分与积分的关系。利用笛卡尔坐标系,他把曲线上无穷多个点的纵坐标表示成y的数列,相应的横坐标的点就是x的数列。如果以x作为确定纵坐标的次序,再考虑任意两个相继的y值之差的数列,莱布尼茨惊喜地发现,“求切线不过是求差,求积不过是求和”。

求曲线的切线,依赖于纵坐标的差值与横坐标的差值,当这些差值变成无限小时之比;而求曲线下的面积,则依赖于无限小区间上的纵坐标之和(亦即宽度为无限小的矩形面积之和),并看到了这两类问题的互逆性。莱布尼茨在给洛必达的一封信中总结说:“求切线不过是求差,求积不过是求和”。

对于求和,在莱布尼茨1675年10月29日的一份手稿中,首先使用了符号“∫”,这是将“sum”的首个字母“s”的拉长。在11月11目的手稿中又引进了“dx”表示两相邻x值的差。l 676年11月莱布尼茨已能给出幂函数的微分与积分公式:

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其中e不一定是正整数。

1677年,莱布尼茨在手稿中明确陈述了微积分基本定理。为了求出在纵坐标为y的曲线下的面积,只需求出一条纵坐标为z的曲线,使其切线的斜率为dz/dx=y,这样原曲线下的面积为∫ydx=∫dz=z。如果是在区间[a,b]上,便得到面积

简述牛顿和莱布尼茨的微积分思想,史话牛顿和莱布尼茨发现微分与积分的互逆运算关系(3)

莱布尼茨于1684年发表了他的第一篇微分学论文《一种求极大与极小值和求切线的新方法》(简称新方法),也是数学史上第一篇微分文献,刊登在莱比锡的《教师学报》上。

文中引进微分式,并给出了微分式的和、差、积、商乘幂与方根的微分公式:

d(u±v)=du±dv; d(uv)=udv vdu;

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1686年,莱布尼茨发表他的第一篇积分学论文《深奥的几何与不可分量及无限的分析》,文中论述了积分或求积问题与微分或切线问题的互逆关系,并得出摆线方程:

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亦即某些超越曲线也可写出其方程。

莱布尼茨引进的符号“d”和“∫”体现了微分与积分的“差”与“和”的实质,获得普遍承认,一直沿用至今。

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