近代数学史
梅园新村纪念馆-
第五章
近代数学史
1
.
中世纪的欧洲数学
公元
5
~
11
世纪,是欧洲历史上的黑暗时期,直到
12
世纪欧
洲数学才开始复苏。
斐波那
契(公元
1170
年至公元
1250<
/p>
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”
,产生了着名的斐波那契数列。
2
.
向近代数学过渡作准备
⑴
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
3
mx<
/p>
2
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
3
mx<
/p>
n
(
m
,
n
p>
0
)
三次方程的代数解法
C
.
卡尔丹
(公元
1501
年至公元
1576
p>
年)学者,在其着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,在其着作《代数》中引进了
虚数。
E
.
吉拉德
(公元
1593
年至公元
1632
p>
年)荷兰数学家在《代数新发现》中给出了着名
的“代数基本定理”
F
.
p>
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。在方程方面有着名的
韦达定理(方程的根与系数的关系)
。
⑵
三角学的形成
在
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
< br>6
个函数:正弦、余弦、正切、余切、
正割、余割。产生
了三角恒等式。
在
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。
⑶
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:
A
.
德沙格(公元
1591
年至公元
1661
年)法国数学家,在其着作《试论锥面截一平面
所得结果的初稿》
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
< br>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。
⑷
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
132
3
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。
⑴
笛卡儿
(公元
1596
年至公元
1650
p>
年)
1637
年发表了着名的哲学着作《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,笛卡儿从一个着名的希腊
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:
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”
。
⑵
<
/p>
费马
(公元
1601
年至公元
1665
年)
1629<
/p>
年,在着作《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
2
x
2
y
2
椭圆:
b
2
x
2
<
/p>
ky
2
抛物线:
x
2
dy
,
y
2
dx<
/p>
双曲线:
x
y
k
2
;<
/p>
x
2
p>
b
2
ky
2
费马还定义了新曲线:
x
m
y
n
p>
a
,
y
n
ax
m
和
r
n
av
但是费马并没有说明他的解析几何思想是如何形成的。
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:
①
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,公布了他的行星运动
三大定律。
p>
②
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。
③
意大利数学家卡
瓦列里(公元
1598
年至公元
164
7
年)发展了系统的不可分量方
法,即“卡瓦列里原理”
。
P147
。
④
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。
⑤
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。
⑥
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。
⑦
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
现在他的着作《无穷算术》中。他在研究四分之一单位圆的面积时,得
到了
π
的无穷乘积表达式。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。
⑴
牛顿的“流数术”
牛顿
(公元
1642
年至公元
1
727
年)于
1661
年进入剑桥大学
三一学院,受教于巴罗。
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
两部着作引导牛顿走上创立微积分之路的。
1664
年,牛顿首创了小
o<
/p>
记号表示
x
的无穷小且最终趋于零的增量
。
1665
年
11
月,发明了“正流数术”
(微分法)
。
1666
年
< br>5
月,又建立了“反流数术”
(积分法)
。
1666
年
10
月,写出了历史上第一篇微积分论文《流数简论》
。但未发表。到
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<
/p>
《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》
< br>1691
年)
。
1687
年出版的力学名着《自然哲学的数学原理》
(简称《原理》
)成为数学史上划时代
的着作。
⑵
莱布尼兹的微积分
莱布尼兹
(公元
1646
年至公元
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
年获阿尔特多夫
大学法学博士学位。
1672
年~
1676
年在巴黎任德国驻法国大使。
p>
从
1672
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。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
年
10
月
29
日的一份手稿中,他首次用符号
表示
sum
。
11
月
11
日的手稿
中,又引进了记号
dx
表示两相邻
x<
/p>
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)
。
< br>
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
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。
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
年《二进制算术》
)
。他也是制造计算机的先
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
p>
年)
(
P173
页
)
。
⑶
分析时代的成果
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。
< br>
①
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
勒公式的发现而着称。
麦克劳林(公元
1698
年至公元
1746
年)英国数学家,着有《流数
论》
。
棣莫弗(公元
1707
年至公元
173
0
年)英国数学家,有着名的棣
(di)
莫弗公式:
(cos
i
sin
)
n
cos
n
i
sin
n
(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
1654<
/p>
年至公元
1705
年)和约翰·伯努利(
公元
1667
年至公元
1748
年)则是莱布尼兹微积分学说的维护者和继承者。
18
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)
p>
瑞士数学家,
13
岁进入巴塞尔大学,
p>
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
p>
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。
欧
拉是历史上最多产的数学家。他生前发表的着作与论文有
560
余种,死后留下了大
量的手稿。
1911
至今,瑞士自然科学协会出版了欧拉全集
70
多卷(计划
p>
84
卷)
。
欧拉在
1748
< br>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着作。其中,他引进了
一批标准的数学符号,如:
f<
/p>
(
x
)
函数符号;
求和号;
e
自然对数底;
i
虚数单位
在
18
世纪推进微积分及其应用贡献卓着的欧陆数学家中,<
/p>
还有法国学派,
代表人物有:
克莱洛(公元
1713
年至公元
1765
年)
;
达朗贝尔(公元
1717
年至公元
1783
年
)
;
拉
格朗日(公元
1736
年至公元
181
3
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
)
。
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