微积分发展历程(三)

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1、微积分发展历程（三）3）牛顿的“流数术”牛顿（IsaacNewton,1642——1727）于伽利略去世那年——1642年（儒略历）的圣诞出生于英格兰肯郡伍尔索普村一个农民家庭，是遗腹子，且早产，生后勉强存活。少年牛顿不是神童成绩并不突出，但酷爱读书与制作玩具。17岁时，牛顿被母亲从他就读的格兰瑟姆中学召回田庄务农，但在牛顿的舅父 W.埃斯库和格兰瑟姆中学校长史托克思的竭力劝说下，牛顿的母亲在九个月后又允许牛顿返校学习。史托克思校长的劝说辞中，有一句话可以说是科学史上最幸运的预言，他对牛顿的母亲说：“在繁杂的农务中

2、埋没这样一位天才，对世界来说将是多么巨大的损失！”牛顿于1661年入剑桥大学三一学院，受教于巴罗，同时钻研伽利略、开普勒、笛卡儿和沃利斯等人的著作。三一学院至今还保存着牛顿的读书笔记，从这些笔记可以看出，就数学思想的形成而言，笛卡儿的《几何学》和沃利斯的《无穷算术》对他影响最深，正是这两部著作引导牛顿走上了创立微积分之路。1665年8月，剑桥大学因瘟疫流行而关闭，牛顿离校返乡，随后在家乡躲避瘟疫的两年，竟成为牛顿科学生涯中的黄金岁月。制定微积分，发现万有引力和颜色理论，……，可以说牛顿一生大多数科学创造的蓝图，都是

3、在这两年描绘的。流数术的初建牛顿对微积分问题的研究始于1664年秋，当时他反复阅读笛卡儿《几何学》，对笛卡儿求切线的“圆法”发生兴趣并试图寻找更好的方法。说在此时，牛顿首创了小o记号表示x的无限小且最终趋于零的增量。1665年夏至1667年春，牛顿在家乡躲避瘟疫期间，继续探讨微积分并取得了突破性进展。据他自述，1665年11月发明“正流数术”（微分法），次年5月又建立了“反流数术”（积分法）。1666年10月，牛顿将前两年的研究成果整理成一篇总结性论文，此文现以《流数简论》（TractonFluxions）著称，当

4、时虽未正式发表，但在同事中传阅。《流数简论》（以下简称《简论》）是历史上第一篇系统的微积分文献。《流数简论》反映了牛顿微积分的运动学背景。该文事实上以速度形式引进了“流数”（即微商）概念，虽然没有使用“流数”这一术语。牛顿在《简论》中提出微积分的基本问题如下：（a）设有两个或更多个物体A，B，C，…在同一时刻内描画线段x，y，z，…。已知表示这些线段关系的方程，求它们的速度p，q，r，…的关系。（b）已知表示线段x和运动速度p、q之比的关系方程式，求另一线段y。牛顿对多项式情形给出（a）的解法。以下举例说明牛顿的解

5、法。已知方程，牛顿分别以和代换方程中的x和y，然后利用二项式定理，展开得消去和为零的项，得，以o除之，得这时牛顿指出“其中含o的那些项为无限小”，略去这些无限小，得即所求的速度p与q的关系。牛顿对所有的多项式给出了标准的算法，即对多项式，问题（a）的解为对于问题（b），牛顿的解法实际上是问题（a）的解的逆运算，并且也是逐步列出了标准算法。特别重要的是，《简论》中讨论了如何借助于这种逆运算来求面积，从而建立了所谓“微积分基本定理”。牛顿在《简论》中是这样推导微积分基本定理的：edacqbyxp=Ifg如上图，设ab=

6、x,△abc=y为已知曲线q=f（x）下的面积，作de∥ab⊥ad∥be=p=1。当线cbe以单位速度向右移动时，eb扫出面积abed=x，变化率；cb扫出面积△abc=y，变化率，。由此得，这就是说，面积y在点x处的变化率是曲线在该处的q值。这就是微积分基本定理。利用问题（b）的解法可求出面积y。作为例子，牛顿算出纵坐标为曲线下的面积是；反之，纵坐标为的曲线真切线斜率为。当然，《简论》中对微积分基本定理的论述并不能算是现代意义下的严格证明。牛顿在后来的著作中对微积分基本定理又给出了不依赖于运动学的较为清楚的证明。

7、在牛顿以前，面积总是被看成是无限小不可分量之和，牛顿则从确定面积的变化率入手通过反微分计算面积。前面讲过，面积计算与求切线问题的互逆关系，以往虽然也曾被少数人在特殊场合模糊地指出，但牛顿却能以足够的敏锐与能力将这种互逆关系明确地作为一般规律揭示出来，并将其作为建立微积分普遍算法的基础。正如牛顿本人在《流数简论》中所说：一旦反微分问题可解，许多问题都将迎刃而解。这样，牛顿就将自古希腊以来求解无限小问题的各种特殊技巧统一为两类普遍的算法——正、反流数术亦即微分与积分，并证明了二者的互逆关系而将这两类运算进一步统一成整体

8、。这是他超越前人的功绩，正是在这样的意义下，我们说牛顿发明了微积分。在《流数简论》的其余部分，牛顿将他建立的统一算法应用于求曲线切线、曲率、拐点、曲线求长、求积、求引力与引力中心等16类问题，展示了他的算法的极大的普遍性与系统性。流数术的发展《流数简论》标志着微积分的诞生，但它在许多方面是不成熟的。牛顿于1667年春天回到剑桥，对自己的微积分发现未作宣扬。他