第五章 近代数学史

巡山小妖精
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2021年02月16日 17:36
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2021年2月16日发(作者:白色血液)


第五章





近代数学史



1




中世纪的欧洲数学



< p>
公元


5



11

< p>
世纪,


是欧洲历史上的黑暗时期,


直到

< p>
12


世纪欧洲数学才开始复苏。




斐波那契(公元


1170


年至公元


1250


年)是第一位有影响的数 学家。他的代表


作《算经》系统介绍了印度、阿拉伯数码,对改变欧洲数学的面貌产生了 很大的影


响。


《算经》中的一个“兔子问题”

< br>,产生了著名的斐波那契数列。




2




向近代数学过渡作准备






代数学的产生



欧洲人在数学上的推进是从代数学开始的,并拉开了近代数学的序幕。特别表


现在三 、四次方程求解和符号代数两个方面。代表人物有:



A




塔塔利 亚(公元


1499


年至公元


1557< /p>


年)意大利数学家,给出了形如:







x



mx



n





(

< p>
m


,


n



0


)




三次方程的代数解法



B




费罗( 公元


1465


年至公元


1526


年)波伦亚大学的数学教授,给出了形如:







x



mx



n





< p>
(


m


,


n



0


)




三次方程的代数解法



C




卡尔丹 (公元


1501


年至公元


1576


年)学者,在其著作中公布了这些解法。


并认识到复根是成对出现的 。



D



< /p>


邦贝利(公元


1526


年至公元


1573


年)意大利数学家,在其著作《代数》中


引进了虚数。



E




吉拉德 (公元


1593


年至公元


1632


年)荷兰数学家在《代数新发现》中给出


了著名的“代数基本定理”



F




韦达(公元


1540


年至公元


1603


年)法国数学家,是数学符号系统化的先驱


和功臣。他使用的代数符号的改进工作由笛卡儿完成。如:


a



b



c


表示已


知量,


x



y



z


表示未知量。在方程方面有著名的 韦达定理(方程的根与系


数的关系)





3


3


2




三角学的形成






1450


年前,三角学主要是球面三角学,


15



16


世纪,德国人开始对三角学


作新的推进。编制了正弦表, 给出了三角函数关系,并采用了


6


个函数:正弦、余

< p>
弦、正切、余切、正割、余割。产生了三角恒等式。





16


世 纪三角学从天文学中分离出来,成为一个独立的数学分支。





1






11







射影几何学




射影几何学源于绘画艺术中的透视学(法)


。研究射影几何学的数学家有:

< p>



A




德沙格 (公元


1591


年至公元


1661


年)法国数学家,在其著作《试论锥面截


一平面所得结果的初稿》< /p>


中引入


70


多个射影几何术语,


成为从数学上第一个解答透


视法问题的人。




B




帕斯卡(公元


1623


年至公元


1662


年)法国数学家,在射影几何学方面的成

就是帕斯卡定理:圆锥曲线的内接六边形对边交点共线。




射影几何产生后不久,就让位于代数、解析几何和微积分。






对数的发明




数值计算的需要导致了对数的发明。




纳皮尔(公元


1550


年至公元


1617


年)苏格兰数学家在球面天文学的三角学研

< br>究中首先发明对数方法的。对数的发明大大减轻了计算工作量,很快风靡欧洲。




3




解析几何学的诞生





近代数学的本质上可以说是变量数学。而变量数学的第 一个里程碑是解析几何


的发明。最重要的前驱是法国数学家奥雷斯姆(公元


1323


年至公元


1382


年)


。但解


析几何的真正发明要归功于法国数学家笛卡儿和费马 。








笛卡儿


(公元


1596


年至公元


1650


年)


1637


年发 表了著名的哲学著作《更好


地指导推理和寻求科学真理的方法论》


。在这本书的附录《几何学》中,笛卡儿从一


个著名的希腊数学问题~帕波斯问题出发 ,系统阐述了解析几何的理论,成为解析


几何的发明人。



笛卡儿也是一位哲学家,他将其《方法论》作为发现真理的一般方法,称之为


“通用数学”


,并概述了这种通用数学的思路。甚至提出一项计划:

< p>


任何问题→数学问题→代数问题→方程求解。







笛卡儿坚持用怀疑的态度进行科学研究。他有一句哲学名言:


“我思 故我在”









费马


(公元


1601


年至公元


1665


年)


1629


年,在著作《论平面和立体的轨迹


引论》一书中,清晰地阐述了他的 解析几何原理。并解析地定义了下面的曲线:



直线方程:



d


(


a



x


)



by



圆:






b



x



y



椭圆:




b



x



ky< /p>





2






11




2


2


2


2


2


2


抛物线:



x< /p>


2



dy





y


2



dx



双曲线:



xy



k


2





x


2



b


2



ky


2



费马还定义了新曲线:












x


m


y


n



a





y


n



ax


m





r



av



但是费马并没有说明他的解析几何思想是如何形成的。




n


4




微积分的创立及分析时代的成果



解析 几何是代数与几何相结合的产物。它将变量引进了数学,使运动与变化的


定量表述成为可 能,从而为微积分的创立打下了基础。



微积分发明之前,在科 学研究上酝酿了近半个世纪,发生了许多重大事件:









德国天文学家、数学家开普勒(公 元


1571


年至公元


1630


年)在


1615


年论述了圆锥曲线围绕某直线旋 转而成的立体体积的积分法。


1619


年,公

< br>布了他的行星运动三大定律。





意大利物理学家、数学家伽利略( 公元


1564


年至公元


1642


年)在


1638


年建立了自由落体定律、动量 定律。





意大利数学家卡瓦列里(公元


1598


年至公元


1647


年)发展了系统的不


可分量方法,即“卡瓦列 里原理”



P147






法国数学家笛卡儿(公 元


1596


年至公元


1650


年)在《几何学》中提出


了求切线的所谓“圆法”


,这种方法本质上是一种代数方法。在推动微积分


的早期发展方面有很大的影响,


牛顿正是以这种方法为起跑点而踏上研究微


积分的道路的。





法国数学家费马 (公元


1601


年至公元


1665


年)的求极大值与极小值的


方法也可以用来求曲线的切线。





英国数学家巴罗 (公元


1630


年至公元


1677


年)也给出了求曲线的切线


的“微分三角形”法。巴罗是牛顿的老师 ,一位剑桥大学的数学教授。




< /p>


英国数学家沃利斯(公元


1616


年至公 元


1703


年)是最早将分析方法引


入 微积分的,具体体现在他的著作《无穷算术》中。他在研究四分之一单位


圆的面积时,< /p>


得到了


π


的无穷乘积表达式。

< p>
这项工作直接引导牛顿发现了有


理数幂的二项式定理。

P154


页。



16


世纪的数学家们的突出工作为微积分的发明铺平了道路。时代的需要和个人


的 才识,使牛顿和莱布尼兹完成了微积分的创立中的最后也是最关键的一步。










牛顿的“流数术”




牛顿


(公元


1642


年至公元


1727


年)于


1661


年进入剑桥大学三一学院,受教于




3






11




巴罗。笛卡儿的《几何学》和沃利 斯的《无穷算术》对于他的数学思想的形成影响


最深。正是这两部著作引导牛顿走上创立 微积分之路的。



1664


年,牛顿首 创了小


o


记号表示


x

< br>的无穷小且最终趋于零的增量。



1665



11


月,发明了“正流数术”

(微分法)




1666



5


月,又建立了“反流数术”


(积分法)




1666



10


月,


写出了 历史上第一篇微积分论文


《流数简论》



但未发表。



1693


年,又先后写 成了三篇微积分论文:


《运用无限多项方程的分析》


(简称《分 析学》


1669


年)



《流数法与无穷级数》


(简称《流数法》


1671


年)



《曲线求积术》


《求积


术》


1691

< p>
年)




1687


年出版的力学名著《自然哲学的数学原理》


(简称《原理》

< p>
)成为数学史上


划时代的著作。













莱布尼兹的微积分







莱布尼 兹


(公元


1646


年至公元

< p>
1716


年)德国数学家,早年在莱比锡大学学习


法律,同时接触伽利略、开普勒、笛卡儿、帕斯卡和巴罗等人的数学思想。


1667



获阿尔特多夫大学法学博士学位。


167 2


年~


1676


年在巴黎任德国驻法国 大使。




1672

< br>年开始,


莱布尼兹将他对数列的研究与微积分的运算联系起来。

< br>用笛卡


儿的解析几何研究曲线时,他发现:求切线不过是求差,求积不过是求和。



他首先着眼于求和。在


1675



10



29


日的一份手稿中,他首次用符号





sum



11



11


日的手稿中,


又引进了记号


dx


表示两相邻


x


的值的差,


并寻找



运算和


d


运算的关系,并给出了幂函数的微分和积分的公式 (


P169


页)



1677


年,他在一份手稿中明确陈述了微积分基本定理 。



1684


年莱布尼兹发表了他的第 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》



。这是数学史上第一篇 正式发表的微分学文献。其中定


义了微分并使用了微分记号


dx



dy


。在《新方法》中,他陈述了< /p>


1677


年得到的函


数和、差、积、商、 乘幂与方根的微分公式(


P171


页)


。并包含了在求拐点以及光


学等方面应用。


< br>1686


年莱布尼兹发表了他的第一篇积分学论文


《深奥 的几何学与不可分量及无


限的分析》


。在这篇积分学论文中,积 分号



第一次出现在印刷出版物上。



莱布尼兹还是二进制数制的发明人(


1679

< br>年《二进制算术》



。他也是制造计算

< br>机的先驱(


1674


年制成了第一台做四则运算的“算术 计算机”





莱布尼兹也是行列式的发明人(


1693


年)



P173


页)


< p>






分析时代的成果





4






11







微积分的创立,被誉为“人类精神 的最高胜利”


。在数学史上,


18


世纪 可以说


是分析的时代,也是向现代数学过渡的重要时期。






微积分的发展





在英国和欧洲大陆,对微积分的发展起重大作用的代表人物有:





泰勒(公元


1685


年至公元


1731


年)英国 数学家,曾做过英国皇家学会的秘书,


以泰勒公式的发现而著称。





麦克劳林(公元


1698


年至公元


1746


年)英国数学家,著有《流数论》






棣莫弗(公元


1707


年至公元


1730


年)英国数学家,有著名的棣


(di)


莫弗公式:






(co s




i


si n



)


n


< /p>


cos


n



< /p>


i


sin


n


< /p>




(这个公式由欧拉明确地陈述)





上面的三位数学家都是牛顿微积分学说的维护者和继承者。





雅各布·伯努利(公元

< p>
1654


年至公元


1705


年)和约翰·伯努利(公元


1667



至公元


1748


年)则是莱布尼兹微积分学说的维护者和继承 者。





1 8


世纪微积分最重大的进步是由欧拉作出的。





欧拉(公元


1707


年至公元


1783


年)瑞士 数学家,


13


岁进入巴塞尔大学,受教


于约翰·


伯努利。


他的科学生涯是在俄国圣彼得堡科学院


(公元


1727


年至公元

1741


年;公元


1766


年至公 元


1783


年)和德国柏林科学院(公元


1741


年至公元


1766


年)


度过的。




< /p>


欧拉是历史上最多产的数学家。他生前发表的著作与论文有


560


余种,死后留


下了大量的手稿。


191 1


至今,瑞士自然科学协会出版了欧拉全集


70


多卷(计划


84


卷)






欧拉在


1748


年出版的《无限小分析引论》



1755


年发表的《微分学》和《积分


学》



1768



1770


)是微积分史上里程碑式的著作。其中,他引进了一批标准的数学


符号,如:





f


(


x


)




函数符号;






求和号;





e




自然对数底;





i




虚数单位






18


世纪推进微积分及其应用贡献卓 著的欧陆数学家中,


还有法国学派,


代表


人物有:




克莱洛(公元


1713


年至公元


1 765


年)






达朗贝尔(公元

< br>1717


年至公元


1783


年)






拉格朗日(公元


1736


年至公元


1813


年)






蒙日(公元


1746


年至公元


1818


年)






拉普拉斯(公元


1749


年至公元


1827


年)






勒让德(公元

1752


年至公元


1833


年)< /p>






这一时期,微积分的深入发展表现在以下几个主要方面:



A




积分技 术与椭圆积分


(不能用已知的初等函数表示)


(法尼亚诺,欧拉 ,拉


格朗日和勒让德及阿贝儿、雅可比)



B




微积分向多元函数的推广





5






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