第二次数学危机 优质课件
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第二次数学危机十七、十八世纪关于微积分发生的激烈的争论,被称为第二次数学危机。
从历史或逻辑的观点来看,它的发生也带有必然性。
微积分产生初期,由于还没有建立起巩固的理论基础(主要是极限理论),出现了这样那样的问题,被一些别有用心的人钻了空子。
事实往后百多年亦没有人能清楚回答这些问题。
这就是历史上的第二次数学危机,而这危机的引发和牛顿有直接的关系。
四悖论早在古代,人们就对长度、面积、体积的度量问题感兴趣。
古希腊的欧多克斯引入量的观念来考虑连续变动的东西,并完全依据几何来严格处理连续量。
这造成数与量的长期脱离。
古希腊的数学中除了整数之外,并没有无理数的概念,连有理数的运算也没有,可是却有量的比例。
他们对于连续与离散的关系很有兴趣,尤其是芝诺提出的四个著名的悖论:运动不存在第一个悖论是说运动不存在,理由是运动物体到达目的地之前必须到达半路,而到达半路之前又必须到达半路的半路……如此下去,它必须通过无限多个点,这在有限长时间之内是无法办到的。
跑得很快的阿希里赶不上在他前面的乌龟第二个悖论是跑得很快的阿希里赶不上在他前面的乌龟。
因为乌龟在他前面时,他必须首先到达乌龟的起点,然后用第一个悖论的逻辑,乌龟者在他的前面。
这两个悖论是反对空间、时间无限可分的观点的。
飞矢不动与游行队伍悖论而第三、第四悖论是反对空间、时间由不可分的间隔组成。
第三个悖论是说“飞矢不动”,因为在某一时间间隔,飞矢总是在某个空间间隔中确定的位置上,因而是静止的。
第四个悖论是游行队伍悖论,内容大体相似。
这说明希腊人已经看到无穷小与“很小很小”的矛盾。
当然他们无法解决这些矛盾。
希腊人虽然没有明确的极限概念,但他们在处理面积体积的问题时,却有严格的逼近步骤,这就是所谓“穷竭法”。
它依靠间接的证明方法,证明了许多重要而难证的定理。
应该指出,这是和历史上任何一项重大理论的完成都要经历一段时间一样,牛顿和莱布尼茨的工作也都是很不完善的。
他们在无穷和无穷小量这个问题上,其说不一,十分含糊。
第二次数学危机第二次数学危机,指发生在十七、十八世纪,围绕微积分诞生初期的基础定义展开的一场争论,这场危机最终完善了微积分的定义和与实数相关的理论系统,同时基本解决了第一次数学危机的关于无穷计算的连续性的问题,并且将微积分的应用推向了所有与数学相关的学科中。
危机背景芝诺悖论这次危机的萌芽出现在大约公元前450年,芝诺注意到由于对无限性的理解问题而产生的矛盾,提出了关于时空的有限与无限的四个悖论:“两分法”:向着一个目的地运动的物体,首先必须经过路程的中点,然而要经过这点,又必须先经过路程的1/4点……,如此类推以至无穷。
——结论是:无穷是不可穷尽的过程,运动是不可能的。
“阿基里斯追不上乌龟”:阿基里斯总是首先必须到达乌龟的出发点,因而乌龟必定总是跑在前头。
这个论点同两分法悖论一样,所不同的是不必把所需通过的路程一再平分。
“飞矢不动”:意思是箭在运动过程中的任一瞬时间必在一确定位置上,因而是静止的,所以箭就不能处于运动状态。
“操场或游行队伍”:A、B两件物体以等速向相反方向运动。
从静止的c来看,比如说A、B都在1小时内移动了2公里,可是从A看来,则B在1小时内就移动了4公里。
运动是矛盾的,所以运动是不可能的。
芝诺揭示的矛盾是深刻而复杂的。
前两个悖论诘难了关于时间和空间无限可分,因而运动是连续的观点,后两个悖论诘难了时间和空间不能无限可分,因而运动是间断的观点。
芝诺悖论的提出可能有更深刻的背景,不一定是专门针对数学的,但是它们在数学王国中却掀起了一场轩然大被。
它们说明了希腊人已经看到“无穷小”与“很小很小”的矛盾,但他们无法解决这些矛盾。
其后果是,希腊几何证明中从此就排除了无穷小。
微积分的出现经过许多人多年的努力,终于在17世纪晚期,形成了无穷小演算——微积分这门学科。
牛顿和莱布尼兹被公认为微积分的奠基者,他们的功绩主要在于:把各种有关问题的解法统一成微分法和积分法;有明确的计算步骤;微分法和积分法互为逆运算。
第7讲第二次数学危机-幽灵般的无穷小课时题目:第二次数学危机—微积分数学基础的重建课时目标:微积分自由发展后的回归严谨的过程教学难点:无拘束发展的微积分为什么会遇到危机,严谨的基础是如何重建的课时安排:1课时本课思考主题:数学发展周期:自由蓬勃发展-遭遇危机-回归严谨什么是数学危机?危机是一种激化的、非解决不可的矛盾。
从哲学上来看,矛盾是无处不在的、不可避免的,即便以确定无疑著称的数学也不例外。
人类最早认识的是自然数。
从引进零及负数就经历过斗争:要么引进这些数,要么大量的数的减法就行不通;同样,引进分数使乘法有了逆运算——除法,否则许多实际问题也不能解决。
但是接着又出现了这样的问题,是否所有的量都能用整数之比来表示?于是发现无理数就导致了第一次数学危机,而危机的解决也就促使逻辑的发展和几何学的体系化。
方程的解导致了虚数的出现,虚数从一开始就被认为是“不实的”。
可是这种不实的数却能解决实数所不能解决的问题,从而为自己争得存在的权利。
几何学的发展从欧几里得几何的一统天下发展到各种非欧几何学也是如此。
在十九世纪发现了许多用传统方法不能解决的问题,如五次及五次以上代数方程不能通过加、减、乘、除、乘方、开方求出根来;古希腊几何三大问题,即三等分任意角、倍立方体、化圆为方不能通过圆规、直尺作图来解决等等。
这些否定的结果表明了传统方法的局限性,也反映了人类认识的深入。
这种发现给这些学科带来极大的冲击,几乎完全改变了它们的方向。
非欧几何学的诞生欧几里得的《几何原本》是第一次数学危机的产物。
尽管它有种种缺点和毛病,毕竟两千多年来一直是大家公认的典范。
尤其是许多哲学家,把欧几里得几何学摆在绝对几何学的地位。
十八世纪时,大部分人都认为欧几里得几何是物质空间中图形性质的正确理想化。
特别是康德认为关于空间的原理是先验综合判断,物质世界必然是欧几里得式的,欧几里得几何是唯一的、必然的、完美的。
既然是完美的,大家希望公理、公设简单明白、直截了当。