集合,函数,极限,微积分的源头问题与应用(1)
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数学微积分的基本原理与应用微积分是数学中的一个重要分支,对于描述和研究变化以及求解极限、导数和积分等问题起到了关键作用。
本文将介绍微积分的基本原理和应用,并探讨其在科学、工程和经济等领域的重要性。
一、微积分的基本原理微积分的基本原理包括极限、导数和积分等概念。
1. 极限在微积分中,极限是指函数在某一点逼近某个特定值时的性质。
通常用符号"lim"表示,常见的极限有函数极限、数列极限和级数极限等。
例如,当自变量x趋近于某个值a时,函数f(x)的极限可以表示为lim (x→a)f(x)。
2. 导数导数是函数变化率的度量,可以描述函数在某一点的瞬时变化速率。
通常用符号"f'(x)"或"df(x)/dx"表示。
导数具有重要的几何和物理意义,例如在曲线上表示切线的斜率、速度的瞬时变化率等。
3. 积分积分是函数的反演运算,可以用于求解函数的面积、弧长、体积等问题。
通常用符号"∫"表示。
积分的一个重要应用是计算函数曲线下的面积,也可以用于计算变化率等。
二、微积分的应用微积分在科学、工程和经济等领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域:1. 物理学微积分为物理学提供了重要的数学工具。
在经典力学中,通过对物体运动的微分方程建模,可以求解出物体的位置、速度和加速度等信息。
同时,积分可以用于计算质点在某段时间内的位移、速度和加速度等。
2. 经济学微积分在经济学中有广泛的运用。
它可以用于求解边际成本、边际效益、弹性系数等经济指标,帮助经济学家进行决策分析和经济预测。
另外,微积分还可以用于求解经济模型中的最优化问题,如利润最大化、成本最小化等。
3. 工程学微积分在工程学中是必不可少的工具。
例如在电路分析中,可以利用电流和电压之间的关系建立微分方程,通过求解微分方程得到电路的响应和稳定性。
在控制系统中,微积分可以用于建立系统的动态模型,进行系统分析和设计。
微积分是数学中一门极为重要的学科,它不仅具有丰富的理论体系,还有广泛的应用。
它的基本原理是在函数的研究中引入极限的概念,通过极限的性质和计算方法,研究函数的变化规律、最值、曲线的切线等。
下面将从微积分的基本原理和应用两方面进行论述。
微积分的基本原理可以归纳为导数和积分两个部分。
导数是函数在某一点的变化率,描述了函数在给定点上的斜率。
它是使用极限的概念定义的,通过函数的极限定义,我们可以求得函数在某一点的斜率。
导数的计算方法有一些常见的规则,如求导法则、链式法则、隐函数求导法则等。
这些规则能够极大地简化导数的计算过程。
导数的应用非常广泛,例如可以用导数求函数的最大值、最小值,确定曲线的切线和其它特性等。
导数的应用还涉及到物理、经济等领域,在物理中可以求速度、加速度等,而在经济学中可以用于边际分析。
积分是导数的逆运算。
积分可以将一个函数从微元的形式还原成原函数的形式。
积分的概念也是通过极限定义的,它可以看作是一个曲线下的面积。
除了定积分外,还有不定积分,它表示一个函数的原函数。
积分在计算中有一些基本的规则,如分部积分法、换元法等。
积分的应用也非常广泛,例如可以用积分计算函数的面积、弧长、体积等。
积分在物理学中也有很多应用,如计算质量中心位置、质心、力矩等。
在经济学中,积分可以用于计算总量和平均量,如总收益、总成本、平均收益等。
微积分的应用还涉及到微分方程和极限理论。
微分方程是描述自然界中许多变化规律的重要工具。
它是包含未知函数及其导数的方程,并通过求解方程得到函数的表达式。
微分方程在物理、工程、生物等领域中有广泛的应用。
极限理论则是研究微积分中基本概念的重要理论基础,它通过无穷的概念来研究函数的性质和极限的存在性。
总之,微积分作为数学的重要分支,具有丰富的理论和广泛的应用。
其基本原理包括导数和积分两部分,通过函数的极限定义和计算方法,研究函数的变化规律和特性。
微积分的应用涵盖了物理、经济、生物等多个领域,在理论和实践中都具有重要意义。
集合论在高等数学中的应用集合论是高等数学中一个重要的分支,它旨在研究集合及其元素之间的关系,运用抽象的思维方式帮助人们更好地理解数学概念。
集合论虽然看似抽象、深奥,但实际上它在高等数学中有广泛的应用,本文将从不同角度介绍集合论在高等数学中的应用。
1. 集合的基础知识在高等数学中,我们经常使用集合这一概念,通常将符号{}括起来的元素的总和称为集合,用A、B等字母表示一个集合,用a、b等字母表示集合A、B中的元素。
对于一个集合而言,最重要的是它的元素和元素之间的关系,集合之间还有包含关系、相等关系、交、并、差等运算。
2. 集合的运算集合的运算是集合论的重要内容,主要有交、并、差等,下面来一一介绍:(1) 交交是指两个集合中具有相同元素的部分组成的新集合,用符号∩表示,即A∩B={x|x∈A且x∈B}。
(2) 并并是指两个集合的所有元素组成的新集合,用符号∪表示,即A∪B={x|x∈A或x∈B}。
(3) 补集补集是指在全集U中除去集合A中元素的部分组成的新集合,用符号A'或A^c表示。
(4) 包含包含是指一个集合中的元素全部都属于另一个集合,用符号⊆表示,即A⊆B表示集合A是集合B的子集。
(5) 相等相等是指两个集合中的元素完全相同,用符号=表示,即A=B 表示集合A和集合B完全相同。
以上运算在高等数学中都有广泛的应用,比如在概率论中,交和并运算用来确定随机事件之间的关系,而补集用来计算相反事件的概率。
3. 集合的应用(1) 函数在高等数学中,函数是一个很重要的概念,函数是一个集合,它包含了一个定义域X和一个值域Y,其中每个元素都有唯一的映射到另一个元素的规则。
对于每个x∈X,函数f(x)都会返回一个y,表示x在函数f中的映射。
因此函数可以看做是一个元素与其他元素之间的关系,这个关系可以用集合论中的用语来描述。
(2) 序列和极限在系列和极限的学习中,集合论也扮演着重要的角色。
在数列中,每个数字都有一个小标,因此数列可以看作是将整数集合映射到实数集合中。
高等数学微积分理念的多领域应用分析摘要:高等数学微积分理念在概率统计、数学建模、应用数学等多领域有着广泛的运用,本文就通过集合、函数、极值和向量代数,阐述一下高等数学微积分理念的多领域运用。
关键词:高等数学;微积分理念;应用一、微积分在概率统计方面的运用(1)集合微积分在概率统计中最简单的一个运用,在勒贝格积分建立测度论以及集合论之后,概率论及已经形成了初步的雏形。
从本质上讲,概率论的研究对象主要还是随机实验,只是实验,其结果就是都不会是绝对的,而把实验的所有结果容纳在一起,就是一个集合。
而在这个过程中,每一个发生的随机事件都是集合中的一个子集。
利用集合之间的关系,来机型运算和处理问题,也就成了一种最基本的运用。
(2)函数微积分中的函数在概率学中是无多不在的,无不体现着函数的思想。
不管是概率还是随机的变量,不管是分布函数还是密布函数,都是属于微积分的函数,也正是因为这些对应的关系,使得在概率学的研究中更加的顺畅。
所以,微积分在概率学的研究中有着很大的作用。
我们简单的通过大数定律阐述一下。
大数定律是一种极限定律,主要是描述在是试验次数无数次后所表现出来的一个概率性的规律。
值得注意的是,大数定律并不是一种规律性的定律,它中间也包含了很多附加的条件,来证明其中的定律。
在大数定律的验证中,可以通过以下的验证进行:在应用数学中,求函数f(x)在区间[0,1]中的定积分,那么函数X的数值必然在0和1之间,这种情况下,可以将所得的积分的数值当做一个概率值。
在实验的过程中,变量XY必须要在0和1之间,可以求出边际分布的分布情况,此时函数f(x)的积分值和变量y的取值范围不会超过函数f(x)的概率是相同的,这个概率值也是可以估算的,在大数定律的理论上实验的总数越大,频率会随着概率收敛到概率,只需将函数的积分变换即可得出第一类积分。
但是在试验中,从来不是一成不变的,可以通过x的区间范围,将函数的积分值当做一个数学期望,让辛钦大数定律通过估算期望值来得到函数的近似值,最后再利用变量转换的出第一类积分。
微积分的原理与应用微积分是数学中的一门重要学科,广泛应用于物理、工程、经济学等领域。
它的原理基于极限的概念,通过对函数的微分和积分运算,研究函数的性质和变化规律。
本文将介绍微积分的原理以及它在现实世界中的应用。
一、微积分的基本概念1.1 极限极限是微积分的核心概念之一。
当自变量趋近于某个值时,函数的取值或者变化趋势可能有所变化。
极限的概念就是描述这种变化趋势的工具,常见的有左极限、右极限和无穷大极限等。
1.2 导数导数是函数在某一点的变化率。
对于函数f(x),它在点x处的导数可以通过求取函数的极限来获得,表示为f'(x)。
导数不仅可以表示函数在某一点的变化率,还可以用于求取函数的最值、判断函数的凹凸性等。
1.3 积分积分是导数的逆运算,表示函数在一定区间内的累积效应。
根据微积分基本定理,如果一个函数的导数存在,那么它在某一区间内的定积分可以通过求取函数的原函数来计算。
二、微积分的应用2.1 物理学中的应用微积分在物理学中有广泛的应用。
以牛顿力学为例,通过对物体的运动进行微分和积分运算,可以计算出物体的速度、加速度、位移等信息。
微积分为物理学提供了研究运动规律的重要工具,使得物理学得以突飞猛进地发展。
2.2 工程学中的应用工程学中的很多问题都可以使用微积分来建模和求解。
例如,在电路工程中,可以利用微积分的方法计算电流、电压的变化过程;在机械工程中,可以通过微积分来分析力学系统的稳定性。
微积分为工程学提供了数学求解问题的方法,使得工程实践变得更加准确和高效。
2.3 经济学中的应用微积分在经济学中也有重要的应用。
通过对经济变量的微分和积分运算,经济学家可以研究市场供需关系、消费者行为等经济现象,进而制定经济政策。
微积分为经济学提供了定量分析的手段,为经济科学的发展做出了重要贡献。
2.4 生物学中的应用生物学中许多生命现象都可以使用微积分来解释和研究。
例如,通过微积分可以研究细胞的生长速率、人口的增长模式等。
数学中的微积分原理及应用微积分是现代数学中最具有影响力的分支之一,自从牛顿和莱布尼茨发明微积分以来,微积分已成为数学中必不可少的工具。
它是解析几何、函数分析、微分方程、物理学和工程学等领域的基础,也是现代金融和经济学中最重要的工具之一。
在本文中,我们将深入探讨微积分的原理和应用。
微积分的历史微积分由牛顿和莱布尼茨分别独立发明,牛顿发展了微积分的基本内容并用微积分解决了当时的物理问题,莱布尼茨则独立发明了微积分符号和记号体系。
牛顿和莱布尼茨的微积分理论是建立在毕达哥拉斯学派和阿基米德发现的基本原理之上的。
微积分的基本原理微积分的核心是导数和积分,它们分别是函数的变化率和函数的区间面积。
导数与函数的变化有关,是函数曲线上某点处的瞬时变化率,相当于斜率;而积分与函数的面积有关,是函数曲线下的总面积,可以看作是一个曲面下的体积。
导数和积分是互逆运算,一个函数的导数是它的原函数的斜率,而一个函数的原函数是它的导数的积分。
这些基本概念为微积分提供了一个可计算的框架。
微积分的应用微积分在现代科学和工程学中有着广泛的应用,为各行各业的发展做出了巨大贡献。
1. 物理学微积分在物理学中有着重要地位,它不仅是物理学中的基础,还可以用来解决各种复杂的物理问题。
例如,将微积分应用于变化率、速度、加速度、质量、动量和能量计算等领域。
2. 工程学微积分在工程学中也有着广泛的应用。
例如,微积分可以帮助工程师们研究控制系统、材料强度、电路和通信等问题,也可以应用于机械、航空、电子、汽车、建筑和土木工程的设计和开发中。
3. 经济学微积分在现代经济学中也具有越来越重要的作用。
例如,微积分可以应用于市场分析、金融衍生产品评估、风险管理和投资组合优化等问题。
微积分还可以应用于统计分析和经济模型的建立中,为经济学家提供有力的工具和支持。
4. 计算机科学微积分在计算机科学中也有着广泛的应用。
例如,微积分可以应用于数据分析、机器学习、人工智能、计算机视觉和图像处理等领域,为计算机科学家提供了有力的工具和支持。
大学数学微积分的基本原理与应用微积分是数学中的重要分支,是研究变化和运动的工具。
它在科学、工程以及经济学等领域具有广泛的应用。
本文将介绍大学数学微积分的基本原理和常见的应用。
一、微积分的基本原理微积分包括微分学和积分学两大部分,下面将详细介绍它们的基本原理。
1. 微分学微分学主要研究函数的变化率,即函数的导数。
导数表示函数在某一点的瞬时变化率,用于描述函数在每个点上的斜率。
导数的求解可以通过求极限的方法来进行。
设函数f(x)在点x处可导,则该点的导数表示为f'(x)或者df/dx。
导数的求解公式包括常见函数的导函数公式、通过基本运算法则和链式法则求导、隐函数求导法、参数方程求导等。
2. 积分学积分学主要研究函数的面积、曲线长度和体积等问题,通过求函数的积分来实现。
积分的基本思想是将曲线或者曲面划分为一系列无穷小的部分,然后将这些部分相加来近似表示总体积或者总面积。
积分学中常见的积分包括不定积分和定积分。
不定积分用于求解函数的原函数,表示为∫f(x)dx。
而定积分则表示在一定区间上的面积或曲线长度,表示为∫<sub>a</sub><sup>b</sup>f(x)dx。
二、微积分的应用微积分在科学和工程中有广泛的应用,下面将介绍一些常见的应用领域。
1. 物理学中的应用微积分在物理学中具有重要的地位,用于描述物体的运动、变化以及力学等现象。
其中,速度、加速度和力的关系可以通过微积分中的导数来表示;位移、质心、功和能量等概念可以通过积分来求解。
2. 经济学中的应用微积分在经济学中用于分析经济规律和优化问题,如成本函数、收益函数、边际效应等。
微积分可以帮助经济学家理解市场的行为,优化资源配置,以及预测经济走势。
3. 工程学中的应用工程学中常用微积分来解决实际问题,如建筑物的结构分析、电路的分析与设计、流体力学以及信号处理等。
微积分可以帮助工程师优化设计,减少成本,并确保项目的安全性。
高等数学背景知识——关于微积分微积分是高等数学的一个主要内容,我们有必要对微积分的时代背景及其创立作基本的了解。
一、微积分的时代背景微积分(calculus)是微分学(differential calculus)和积分学(integral calculus)的简称。
Calculus原意是计算、演算,在拉丁文中表示石子,指用石子进行计算。
微积分后来的发展称为“分析学”。
中国19世纪中叶翻译此类数学书时定名为微积分。
微积分的创立是数学史上最重要的事件之一。
其基本思想源于古希腊的求积术,但直接动力却来自17世纪的科技问题。
(1)运动问题。
已知物体移动的距离表示为时间的函数关系式,求物体在任意时刻的速度与加速度;反之,已知物体的加速度表为时间的函数关系式,求速度与距离。
因运动物体的速度与加速度每时每刻都在变化,瞬时速度的求法超出常规的范围。
抛射体&行星的运动都属于此列。
(2)切线问题。
17世纪透镜的设计吸引了许多数学家。
要研究光线通过透镜的通道,必须知道射线射入透镜的角度,以便应用光的反射定律,这就需要求出光线在入射点的法线或切线。
另外,运动物体在它的轨迹上任意一点处的运动方向都是轨迹的切线方向。
从几何本身看,切线的定义与求法也都没有解决,对于17世纪出现的复杂曲线求切线更是无从下手。
(3)极值问题。
即求函数的最大值与最小值。
例如炮弹能获得最大射程的发射角,行星离开太阳的最远距离等。
17世纪初已有一些实际推测,但缺乏理论上的证明。
(4)求积问题。
包括求曲线的长度(例如行星在椭圆轨道上运行的距离),曲线围成的面积,曲面围成的体积,物体的重心等。
古希腊人的穷竭法只对一些简单的面积和体积有效,缺乏一般性,但它却是微积分的萌芽,受到数学史家的重视。
二、微积分的早期工作在数学史上,积分概念先于微分概念产生,是与某些面积、体积和弧长相联系的求和过程中引起的。
后来对曲线作切线问题和函数的极大值、极小值问题产生了微分。
高一数学掌握微积分的基本原理和应用微积分作为数学的重要分支,是数学中最基础、最核心的内容之一。
它的应用广泛,涉及到物理、经济、工程等多个领域。
在高中数学中,微积分作为数学的一个重要部分,学生需要掌握其基本原理和应用。
本文将介绍高一数学学习微积分的基本原理以及其应用。
一、微积分的基本原理微积分的基本原理包括导数和积分两个方面。
1. 导数导数是函数运算中的一个重要概念,表示函数的变化率。
在数学中,函数的导数可以通过函数的极限来定义。
对于一个函数f(x),其导数可以表示为f'(x)或者dy/dx,表示函数在某个点上的变化率。
导数具有以下几条基本性质:(1)导数的定义:f'(x) = lim(h→0) [f(x+h) - f(x)] / h(2)求导法则:和差法、常数因子法、乘积法、商法、复合函数求导法则等。
2. 积分积分是导数的逆运算,是函数求和的一种有效方法。
对于一个函数f(x),其积分可以表示为∫f(x)dx,表示函数在某个区间上的累积效果。
积分具有以下几条基本性质:(1)积分的定义:∫f(x)dx = F(x) + C,其中F'(x) = f(x),C为常数。
(2)不定积分与定积分:不定积分是求函数的一个原函数,定积分是求函数在一个区间上的积分值。
二、微积分的应用微积分在实际应用中广泛存在,下面将介绍微积分的几个常见应用。
1. 函数的极值利用导数的概念,我们可以求出函数的极值点和最值点。
对于一个函数f(x),若f'(x)=0,且f''(x)符号相反,那么x就是f(x)的极值点。
2. 函数的曲线图利用导数的概念,我们可以画出函数的曲线图。
通过分析函数的导数的正负性和极值点,我们可以得到函数的大致变化趋势。
3. 曲线的面积与曲边梯形的面积通过积分的方法,我们可以计算曲线与x轴之间的面积,以及曲边梯形的面积。
这在物理中的积分方法和经济中的积分运用中非常常见。
集合,函数,极限,微积分的源头问题与应用数学是一门古老的科学,很可能在几千年以前,古代人为了知道家畜有多少,学会了计数的方法。
从那时起,便开始有了数学。
过了若干个世纪,数学的各种有助于人们的概念也有了发展。
数学中所有概念都是由于人们生活需要才不断产生和发展起来的。
随着时间的推移,很多新生的数学思想又不断丰富着数学的宝藏。
集合的源头问题与应用集合论最重要的创建者是康托尔(Georg Cantor,1845—1918)。
在19世纪人们很少怀疑微积分的基础应该建立在严密的实数理论上,而严密的实数理论可以由集合论推出。
但是微积分本质上是一种“无限数学”。
那么无限集合的本质是什么?它是否具备有限集合所具有的性质?从19世纪60年代起,法国数学家康托尔承担了这一工作,他清楚地看到以往数学基础中的问题,都与无穷集合有关。
其中包括这样一些问题:“整数究竟有多少?”“在一个圆周上包含多少个点?”“一小时里有多少刹那的时光度过?”“在1-2之间的数,比一根线上的点还多吗?”康托解决了以上的问题。
他的工作标志着“集合”这个概念已经在数学中诞生了。
1900年左右,正当康托尔的思想逐渐被人接受,并成功地把集合论应用到了许多别的数学领域中去,大家认为数学的“绝对严格性”有了保证的时候,一系列完全没有想到的逻辑矛盾,在集合论的边缘被发现了。
开始,人们并不直接称之为矛盾,而是只把它们看成数学中的奇特现象。
1903年英国哲学家兼数学家罗素(Russell, B.A.W,1872—1970)提出了一个悖论,“一切不包含自身的集合所形成的集合是否包含自身?”答案如果说是,即包含自身,属于这个集合,那么它就不包含自身;如果说否,它不包含自身,那么它理应是这个集合的元素,即包含自身。
可能有人看不懂罗素悖论,没关系,罗素本人就用通俗的“理发师悖论”作了比喻;理发师自称,他给所有自己不刮胡子的人刮胡子,但不给任何自己刮胡子的人刮胡子。
试问理发师该不该给自己刮胡子?如果他从来不给自己刮胡子,就属于“自己不刮胡子的人”。
根据他的自称,他就应该给自己刮胡子,但是,一旦他给自己刮胡子,他就成了“自己刮胡子的人”了。
还是根据他的自称,他就不应该给自己刮胡子。
所以不管理发师的胡子由谁来刮,都会产生矛盾。
罗素悖论以其简单、明确震动了整个西方数学界和逻辑学界,逻辑学家费雷格收到罗素的信之后,在他刚要出版的《算术基础法则》第二卷末尾写道:“一位科学家不会碰到比这更难甚的事情了,即在工作完成之时,它的基础垮掉了。
当这本书等待付印的时候,罗素先生的一封信把我置于这种境地。
”弗雷格对罗素悖论的迅速反应是惊恐地感到:“算术开始受难。
”数学史上第三次危机来临了,数学王国的居民们惶惶不安,因为数学家们一贯追求严密性,一旦发现他们自称绝对严密的数学的基础——集合论并不严密,竟然出现了“悖论”这种自相矛盾的结果,可以想像,他们是多么震惊。
震惊之余,数学家们意识到,应当建立某种公理系统来对集合论作出必要的规定,以排除“罗素悖论”和其他有关的“悖论”。
现在,各种成功地解决悖论的方案都对集合的“无限扩张”进行了限制,因此现在任何一种形式的集合论,实质上都包含一个“限制大小”的公理。
点集论体系是现代数学中重要的基础理论。
它的概念和方法已经渗透到代数、拓扑和分析等许多数学分支以及物理学和质点力学等一些自然科学部门,为这些学科提供了奠基的方法,改变了这些学科的面貌。
几乎可以说,如果没有集合论的观点,很难对现代数学获得一个深刻的理解。
所以集合论的创立不仅对数学基础的研究有重要意义,而且对现代数学的发展也有深远的影响。
有关集的理论已应用到从代数到概率的很多数学分支学科中去。
在几何中的应用:在空间几何学里,我们要谈到点的集。
一个点上的线集是无限集,一条线上的点集也是无限集;当两个平面相交的时候,它们的交集是一条直线。
在代数中的应用:一个命题的解集,例如,{x|3x+7=22}的解集为{x=15};有序对集{(x, y)|2x+y=7};在逻辑中的应用:集地最好应用之一,就是用于逻辑演绎。
利用集作为逻辑演绎的一个方法,能把各种关系清楚地描画出来。
例如,叙述“假定所有的姑娘都很漂亮,做妻子的都是姑娘,那么,所有作妻子的都是漂亮的人”这句话用集来表示更清楚明白,设A=所有漂亮的人的集,B=所有姑娘的集,C=所有作妻子的集。
则上面的叙述可表示为(A∩B=B)∧(B∩C=C)→A∩C=C,显然该叙述是正确的。
函数的源头问题与应用函数概念的萌芽,可以追溯到古代对图形轨迹的研究,随着社会的发展,人们逐渐发现,在所有已经建立起来的数的运算中,某些量之间存在着一种规律:一个或几个量的变化,会引起另一个量地变化,这种从数学本身的运算中反映出来的量与量之间的相互依赖,就是函数概念的萌芽。
一般公认最早给出函数定义的是德国数学家莱布尼兹。
函数概念提出之后,由于微积分学的发展,函数概念大致经过了六次扩张,从“解析的函数概念”到“几何的函数概念”到“科学的函数定义”再到“近代函数定义”最后到“现在函数定义”,即为“若对集合M的任意元素x,总有集合N确定的元素y与之对应,则称在集合M上定义一个函数,记为y=f(x)。
元素x称为自变元,元素y称为因变元。
”二十世纪依赖,函数概念不断扩充,函数不仅是变数,还可以是其他变化着的事物。
还出现了所谓广义函数以及函数的函数等等。
以研究函数为己任的分析学,成为函数的三大基本分支之一。
在分析学中,函数论占有重要地位,它又划分为实函数论和复函数论两大部分。
函数所产生的分支为函数论。
函数的应用十分广泛。
例如,随机函数原理在水文气象中的应用;取向分布函数在材料学中的应用;函数原理在计算机科学中的应用,即编程等;函数在机械制造,线条设计中的应用;函数模型在数学建模中的应用等。
极限的源头问题与应用极限的思想可以追溯到古代,刘徽的割圆术就是建立在直观基础上的一种原始的极限思想的应用;古希腊人的穷竭法也蕴含了极限思想,但由于希腊人“对无限的恐惧”,他们避免明显地“取极限”,而是借助于间接证法——归谬法来完成了有关的证明。
到了16世纪,荷兰数学家斯泰文在考察三角形重心的过程中改进了古希腊人的穷竭法,他借助几何直观,大胆地运用极限思想思考问题,放弃了归缪法的证明。
如此,他就在无意中“指出了把极限方法发展成为一个实用概念的方向”。
极限思想的进一步发展是与微积分的建立紧密相联系的。
16世纪的欧洲处于资本主义萌芽时期,生产力得到极大的发展,生产和技术中大量的问题,只用初等数学的方法已无法解决,要求数学突破只研究常量的传统范围,而提供能够用以描述和研究运动、变化过程的新工具,这是促进极限发展、建立微积分的社会背景。
极限思想的完善与微积分的严格化密切联系。
在很长一段时间里,微积分理论基础的问题,许多人都曾尝试解决,但都未能如愿以偿。
这是因为数学的研究对象已从常量扩展到变量,而人们对变量数学特有的规律还不十分清楚;对变量数学和常量数学的区别和联系还缺乏了解;对有限和无限的对立统一关系还不明确。
这样,人们使用习惯了的处理常量数学的传统思想方法,就不能适应变量数学的新需要,仅用旧的概念说明不了这种“零”与“非零”相互转化的辩证关系。
到了18世纪,罗宾斯、达朗贝尔与罗依里埃等人先后明确地表示必须将极限作为微积分的基础概念,并且都对极限作出过各自的定义。
其中达朗贝尔的定义是:“一个量是另一个量的极限,假如第二个量比任意给定的值更为接近第一个量”,它接近于极限的正确定义;然而,这些人的定义都无法摆脱对几何直观的依赖。
事情也只能如此,因为19世纪以前的算术和几何概念大部分都是建立在几何量的概念上面的。
首先用极限概念给出导数正确定义的是捷克数学家波尔查诺,他把函数f(x)的导数定义为差商Δy/Δx的极限f′(x),他强调指出f′(x)不是两个零的商。
波尔查诺的思想是有价值的,但关于极限的本质他仍未说清楚。
到了19世纪,法国数学家柯西在前人工作的基础上,比较完整地阐述了极限概念及其理论,他在《分析教程》中指出:“当一个变量逐次所取的值无限趋于一个定值,最终使变量的值和该定值之差要多小就多小,这个定值就叫做所有其他值的极限值,特别地,当一个变量的数值(绝对值)无限地减小使之收敛到极限0,就说这个变量成为无穷小”。
柯西把无穷小视为以0为极限的变量,这就澄清了无穷小“似零非零”的模糊认识,这就是说,在变化过程中,它的值可以是非零,但它变化的趋向是“零”,可以无限地接近于零。
柯西试图消除极限概念中的几何直观,作出极限的明确定义,然后去完成牛顿的愿望。
但柯西的叙述中还存在描述性的词语,如“无限趋近”、“要多小就多小”等,因此还保留着几何和物理的直观痕迹,没有达到彻底严密化的程度。
为了排除极限概念中的直观痕迹,维尔斯特拉斯提出了极限的静态的定义,给微积分提供了严格的理论基础。
所谓 an=A,就是指:“如果对任何ε>0,总存在自然数N,使得当n>N时,不等式|an-A|<ε恒成立”。
这个定义,借助不等式,通过ε和N之间的关系,定量地、具体地刻划了两个“无限过程”之间的联系。
因此,这样的定义是严格的,可以作为科学论证的基础,至今仍在数学分析书籍中使用。
在该定义中,涉及到的仅仅是数及其大小关系,此外只是给定、存在、任取等词语,已经摆脱了“趋近”一词,不再求助于运动的直观。
众所周知,常量数学静态地研究数学对象,自从解析几何和微积分问世以后,运动进入了数学,人们有可能对物理过程进行动态研究。
之后,维尔斯特拉斯建立的ε-N语言,则用静态的定义刻划变量的变化趋势。
这种“静态——动态——静态”的螺旋式的演变,反映了数学发展的辩证规律。
设函数f(x)在点x。
的某一去心邻域内有定义,如果存在常数A,对于任意给定的正数ε(无论它多么小),总存在正数δ,使得当x满足不等式0<|x-x。
|<δ时,对应的函数值f(x)都满足不等式:|f(x)-A|<ε那么常数A就叫做函数f(x)当x→x。
时的极限。
极限思想在现代数学乃至物理学等学科中有着广泛的应用,这是由它本身固有的思维功能所决定的。
极限思想揭示了变量与常量、无限与有限的对立统一关系,是唯物辩证法的对立统一规律在数学领域中的应用。
借助极限思想,人们可以从有限认识无限,从“不变”认识“变”,从直线形认识曲线形,从量变认识质变,从近似认识精确。
无限与有限有本质的不同,但二者又有联系,无限是有限的发展。
无限个数的和不是一般的代数和,把它定义为“部分和”的极限,就是借助于极限的思想方法,从有限来认识无限的。
“变”与“不变”反映了事物运动变化与相对静止两种不同状态,但它们在一定条件下又可相互转化,这种转化是“数学科学的有力杠杆之一”。
例如,要求变速直线运动的瞬时速度,用初等方法是无法解决的,困难在于速度是变量。