數學科普:微積分出現後,人類就再也擋不住了
發布時間:2021-01-02
瀏覽次數:1755
數學科普:微積分出現後,人類就再也擋不住了

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

不得不承認,微積分是老胡遇到的最好的東(dong) 西。它是一個(ge) 工具,教我抽象的想法,並向我展示了一個(ge) 簡單的方法,使我的生活中的問題更容易管理。正是微積分使肯尼迪所說的“我們(men) 選擇登月”成為(wei) 可能。讓阿姆斯特朗說出:“一個(ge) 人的一小步就是人類的一大步。”,讓菲利克斯·鮑姆加特納能夠說:“我現在要回家了!

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

當盧修斯·福克斯為(wei) 蝙蝠俠(xia) 設計蝙蝠衣時,也是在計算。正是這一數學分支使得人們(men) 喜愛的動畫像人一樣行動;正是這種計算讓母親(qin) 們(men) 知道了嬰兒(er) 的性別或健康狀況;正是微積分使我們(men) 能夠在微波爐裏加熱東(dong) 西;它幫助人們(men) 在高德地圖上到達目的地。愛因斯坦把他的方程式寫(xie) 在筆記本上以改變世界,這就是微積分。它把數學、科學和社會(hui) 學結合起來,幫助創造了我們(men) 生活的現代世界。這就是為(wei) 什麽(me) 伏爾泰把微積分稱為(wei) “精確計算一種無法想象其存在的事物的藝術”。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 上圖:愛因斯坦1936年發表的科學論文的附言。資料來源:匹茲堡大學。下圖:伏爾泰的《關於英國的信件》,第152頁

根據伏爾泰的觀點:

“這個(ge) 荒謬的、陳腐的問題在一次著名的集會(hui) 上引起了騷動,這是不久以前的事了。誰是最偉(wei) 大的人呢,卡薩爾或亞(ya) 曆山大,塔默蘭(lan) 或克倫(lun) 威爾嗎?有人說那一定是艾薩克·牛頓爵士。這個(ge) 人當然是對的。”

所有我們(men) 想用數學術語來理解的東(dong) 西,我們(men) 都是通過微積分來理解的。不幸的是,大學裏的老師讓微積分看起來既困難又乏味。對於(yu) 許多大學一年級的學生來說,微積分是一個(ge) 讓他們(men) 充分享受生活的障礙。一開始,就好像有人買(mai) 了一輛有引擎問題的新車。然而,一旦你開始修複它,它就會(hui) 變得很容易使用。

微積分是一種使不可見的東(dong) 西變得可見的工具。它是好奇心和解決(jue) 方案之間的聯係。換句話說,它是回答問題和揭示科學奧秘的最佳工具。當數學家們(men) 致力於(yu) 一個(ge) 項目去建立一些新的東(dong) 西時,他們(men) 也會(hui) 受到數學的啟發。此外,將現代數學思想應用於(yu) 現實世界可能需要數年時間。然而,微積分是數學中少有的源於(yu) 物理學的領域之一。

例如,如果你把一塊磁鐵放在你的桌子上,把填滿磁鐵的鐵搖一搖,你會(hui) 注意到,填滿的東(dong) 西會(hui) 開始沿著不同的線排列,在磁鐵周圍形成完美的圖案。你還會(hui) 看到磁場向各個(ge) 方向延伸。今天,我們(men) 知道這種科學美是磁場的結果。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 鐵屑在紙上。下麵有一塊磁鐵。

然而,大約200年前,邁克爾·法拉第並不知道這一點。他隻是憑直覺接近這個(ge) 想法,並相信由於(yu) 鐵屑產(chan) 生的運動,磁鐵周圍應該有一種看不見的力量。代數、英語或其他語言不足以解釋或證明他關(guan) 於(yu) 磁場的激動人心的想法;因此,法拉第需要使用不同的方法,如數學。雖然他是一位優(you) 秀的物理學家,但他的數學星空体育官网入口网站不足以描述他的思想。此外,他對將要看到的東(dong) 西一點也不知道。

在這段時間裏,研究磁場的物理學家越來越多。蘇格蘭(lan) 物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋就是其中之一。他決(jue) 定走另一條路,用微積分來改進法拉第的磁場研究。即便如此,麥克斯韋是如何用微積分來解釋一些與(yu) 物理學有關(guan) 的東(dong) 西的呢?首先,他把所有關(guan) 於(yu) 磁場的星空体育官网入口网站轉化成數學方程式。然後,麥克斯韋開始使用微分學並得到了新的方程。他最初得到了20個(ge) 方程。最後,他把它們(men) 結合起來,成功了!

麥克斯韋揭示了磁力的奧秘!他使用的語言隻是微積分,這是他唯一的聲音。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 上圖 :邁克爾·法拉第,1861 |下圖:詹姆斯·麥克斯韋傳記物理學家(1831-1879)
微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 詹姆斯·克拉克·麥克斯韋,《倫敦皇家學會哲學會刊》,1865年1月1日出版。

微積分把好奇的人召集起來,告訴他們(men) :“如果你想了解宇宙,就利用我吧!”不久之後,尼古拉·特斯拉跟隨麥克斯韋的腳步,用麥克斯韋方程做出了第一台收音機。愛德華·布蘭(lan) 利發明了第一個(ge) 真正的無線電波探測器——相幹器。馬可尼在幾百英裏外發送了一條無線信息。

仍然有人認為(wei) 是馬可尼發明了第一台收音機。然而,美國最高法院裁定馬可尼的無線電專(zhuan) 利無效,並在特斯拉死後6個(ge) 月,即1943年6月21日,將無線電牌照授予特斯拉。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 尼古拉·特斯拉(1856 - 1943)

後來,艾倫(lun) ·圖靈破解了德國的密碼,從(cong) 而把二戰縮短了2到4年,在這期間他拯救了數百萬(wan) 人的生命。微積分的其他用途可以從(cong) 發明電視的菲羅·範斯沃斯身上看到。他使20億(yi) 人得以觀看1994年7月17日意大利對巴西的世界杯決(jue) 賽。他讓我有機會(hui) 觀看了1986年世界杯半決(jue) 賽馬拉多納對陣英格蘭(lan) 打進的“世紀進球”。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • “ 世紀進球”,其在馬拉多納1986年世界杯半決賽對陣英格蘭
微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 羅伯特·巴喬在1994年世界杯決賽中罰失點球的精彩畫麵。

無論如何,我需要回到微積分。今天,Loon公司正在設計氣球,為(wei) 世界各地的人們(men) 帶來免費的無線技術。所有這些發現和發明一直在告訴我們(men) 關(guan) 於(yu) 宇宙的一些獨特的東(dong) 西。順便說一句,我並不是說微積分讓羅伯特·巴喬(qiao) 錯過了讓巴西成為(wei) 1994年世界杯冠軍(jun) 的點球。微積分讓無形變得有形。否則,我怎麽(me) 能見證那些難忘的時刻呢?

在費曼、麥克斯韋、特斯拉和Loon的例子中,你可能會(hui) 注意到聰明人對變化感興(xing) 趣。要麽(me) 他們(men) 想要理解它,要麽(me) 他們(men) 想要追求它。為(wei) 了實現他們(men) 的目標或夢想,這些美麗(li) 的頭腦都使用了微積分。我們(men) 可以說,微積分關(guan) 注的是事物隨時間的變化。數學本身創造變化。

數學變化的概念出現於(yu) 5000年前。古希臘哲學家對事物變化的概念思考得非常深刻。例如,古希臘哲學家芝諾(Zeno)是第一個(ge) 提出瞬時速度概念的人。我們(men) 可能聽過他的著名的芝諾悖論——阿基裏斯和烏(wu) 龜之間的賽跑——但是,他的阿羅悖論可能比其他的更重要,因為(wei) 它是微積分的入門。芝諾說飛行中的箭總是處於(yu) 靜止狀態。你可能會(hui) 問自己:“移動的箭頭怎麽(me) 可能不移動呢?”“然而,如果我們(men) 在那個(ge) 特定的時刻拍下太空箭的快照,它必須是靜止的。由於(yu) 時間是許多實例的集合,我們(men) 可以說箭從(cong) 不移動,因此變得自相矛盾,因為(wei) 箭是移動的。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

在芝諾之後,第一個(ge) 研究微積分的人是柏拉圖的學生歐多克索斯。在此期間,幾乎每個(ge) 人都能計算正方形、長方形和三角形等規則形狀的麵積。他們(men) 負責發展我們(men) 對形狀及其特征的理解。然而,現在是革命的時候了!他們(men) 需要計算一個(ge) 曲麵的麵積,比如一個(ge) 圓,但是這對他們(men) 來說是相當困難的。圓不可以畫線,然後分成三角形。相反,他們(men) 必須找到更複雜的東(dong) 西。我們(men) 的曆史資料顯示,歐多克索斯使用了一種窮竭法,這是一種精確的計算方法。他發現一個(ge) 圓錐體(ti) 的體(ti) 積是相應圓柱體(ti) 積的三分之一。

窮竭法是一種求形狀麵積的方法,其方法是在一個(ge) 形狀內(nei) 嵌入一係列多邊形,這些多邊形的麵積收斂於(yu) 包含該形狀的麵積。——維基百科

 

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

歐多克索斯之後,阿基米德接過了微積分的旗幟。阿基米德癡迷於(yu) 數學,常常忘記吃飯。此外,當他死於(yu) 羅馬士兵之手時,他告訴羅馬士兵不要打擾他,因為(wei) 他正在沙灘上畫一個(ge) 圓圈。甚至他的墓碑上也刻著一個(ge) 球體(ti) 的圖形,球體(ti) 被一個(ge) 圓柱體(ti) 包圍著,圓柱體(ti) 的容積比為(wei) 2:3。當伽利略提到阿基米德時,他總是說:“超越人類的阿基米德,獨一無二的阿基米德是神聖的阿基米德。”

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 阿基米德,由何塞·德裏貝拉繪畫,1630 | 阿基米德之死,1815年

兩(liang) 千兩(liang) 百年前,阿基米德的癡迷於(yu) 曲線。他找到了一種計算曲麵物體(ti) 麵積和體(ti) 積的方法。他把筆記抄在一張紙莎草紙上,然後把它放在一張羊皮紙上。在他的筆記被轉移之後,發生了一件非常有趣的事情。不知怎麽(me) 的,700年前,一個(ge) 和尚需要紙把他的祈禱寫(xie) 在什麽(me) 東(dong) 西上,然後隨便在書(shu) 架上選一本書(shu) 。不幸的是,他手裏拿著阿基米德的筆記,像用自己的筆記一樣使用這本書(shu) 。然而,在2000年之後,數學家發現這本書(shu) 決(jue) 定繼續研究。這導致了阿基米德方法“方法”的麵世。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 阿基米德重寫本| PBS裏麵

像任何二維形狀一樣,圓也有麵積。阿基米德通過發明一種叫做“啟發式”的數學方法,來得出一個(ge) 圓的麵積的結論,這種方法可以加速得到一個(ge) 滿意解的過程。雖然啟發式方法不能完美地從(cong) 數學上證明某件事,但它是實用的,足以總結他的工作。阿基米德還進一步發展歐多克索斯的“窮竭法”,以計算拋物線下的麵積,球的表麵積和體(ti) 積,或證明圓的麵積等於(yu) πr^2。

阿基米德求圓麵積的第一個(ge) 方法是如此簡單,但它隻能來自天才的頭腦!隻有有天賦的人才能在任何情況下找到簡單的方法。就像約翰·克魯伊夫說的那樣:“足球很簡單,但很難踢簡單的足球。”不管怎樣,阿基米德將正多邊形內(nei) 嵌在一個(ge) 圓內(nei) ,直到正多邊形有如此多的邊,以至於(yu) 它們(men) 實際上變成了圓本身。這樣,多邊形的麵積就越來越接近圓的準確麵積。然而,多邊形需要有無數條邊才能有一個(ge) 與(yu) 圓相同的麵積。今天,我們(men) 說在無窮大的極限下,多邊形的麵積等於(yu) 圓的麵積,其中n代表多邊形的邊數。然而,在這一時期,希臘人並沒有完全掌握極限的概念。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

阿基米德用同樣的方法求拋物線段的麵積。他把曲線形狀變成了三角形的組合。由於(yu) 這種方法,斯蒂芬·斯特羅加茨教授在他的最後一本書(shu) 《無限的力量:微積分如何揭示宇宙的秘密》(第37頁)中稱阿基米德是第一位像畢加索那樣的立體(ti) 派藝術家。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 《無限的力量:微積分的故事——宇宙的語言》作者:斯蒂文·斯特羅加茨

 

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 巴勃羅·畢加索《公牛》1945年

首先,阿基米德把最大的三角形放在曲線下。然後,他把兩(liang) 個(ge) 較小的三角形放在左邊和右邊。當曲線下有一點空間時,他試著放更多的小三角形。他能夠將曲麵麵積轉換成三角形的組合,因為(wei) 他知道如何找到該形狀的麵積。這種方法使他認識到一個(ge) 有趣的事實,拋物線段的麵積與(yu) 第一個(ge) 大三角形的麵積之比是4/3。4/3的比例非同尋常,因為(wei) 在音樂(le) 中,它被稱為(wei) “完美的四分之一”。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

用三角形做拋物線段是一個(ge) 獨特的想法,因為(wei) 它是微積分無形存在的一個(ge) 非凡例子。當我們(men) 去電影院看電影的時候,我們(men) 看到的人物就像真人一樣,但實際上,他們(men) 是由數百萬(wan) 個(ge) 規則多邊形組成的。我們(men) 隻是沒有注意到這裏的微積分。我們(men) 可以用三角形來表示任何光滑的表麵,這已經成為(wei) 阿基米德的想法,這是微積分(微分學)背後的另一種優(you) 秀表現,通過直線來近似彎曲的物體(ti) 。

阿基米德的第二個(ge) 非凡的方法是找到一個(ge) 圓的麵積。在開始的時候,找到一個(ge) 圓的麵積對他來說是件頭疼的事。他需要找到不同的方法來解決(jue) 這個(ge) 問題。幸運的是,在古代,當人們(men) 處理任何類型的問題時,他們(men) 試圖通過將它們(men) 分解成不同的部分,以使其變得更小,以便以後單獨處理它們(men) 。因此,他們(men) 的問題將比原來的問題容易處理得多。然後,當他們(men) 解決(jue) 了所有小塊的問題,他們(men) 會(hui) 把答案重新組合在一起,形成一個(ge) 整體(ti) 。這種數學方法是人類曆史上最令人難以置信的布局之一。

為(wei) 了在我們(men) 的腦海中描繪阿基米德的方法,先畫一個(ge) 半徑為(wei) r的圓,然後把它切成四塊。現在我們(men) 有四個(ge) 相等的四分之一。順便說一下,我們(men) 的圓的周長將2πr。如果像下麵的圖一樣重新排列四分之一,我們(men) 將得到一個(ge) 新的形狀。此外,底部的扇形邊緣的長度將為(wei) 圓周的一半,即πr(π乘以r)。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 摘自Steven Strogatz |《推向極限》

這裏我們(men) 有一個(ge) 簡單的想法,如果我們(men) 能計算出新形狀的麵積,那麽(me) 我們(men) 就會(hui) 知道圓的麵積。但是,我們(men) 的新形狀可能看起來更複雜,因此我們(men) 應該嚐試使用更多切碎的碎片將圓更改為(wei) 我們(men) 知道麵積的形狀。

我們(men) 可以試著用8個(ge) 相等的部分組成這個(ge) 圓,然後重新排列它們(men) ,得到下麵這個(ge) 平行四邊形的更好的形式。如果我們(men) 仔細觀察,我們(men) 會(hui) 發現它正試圖變成我們(men) 認識的形狀。寬度越來越垂直,底部的扇形邊緣越來越直。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 如何顯示一個圓的麵積是2πr

因此,如果你直覺地接近這個(ge) 想法,你會(hui) 注意到我們(men) 可以用更小的部分來構建一個(ge) 圓。例如,如果我們(men) 構建另一個(ge) 有32段的圓並重複這個(ge) 過程,我們(men) 會(hui) 發現這個(ge) 圓慢慢地開始看起來有點像一個(ge) 矩形,這使得找到它的麵積變得非常容易。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 圓麵積計算的視覺證明

現在我們(men) 可以得出結論,當我們(men) 把圓分成越來越多的小塊時,形狀就變成了長方形。如果你這樣做無窮次,你會(hui) 得到無窮多的碎片,形成一個(ge) 完美的矩形。隨著數量的增加,形狀會(hui) 變得更加精確。因此寬度的長度仍然πr,邊的長度相當於(yu) 圓的半徑,仍然“r。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

今天,在現代微積分中,我們(men) 把問題切成無數小塊,然後把它們(men) 加在一起,就像阿基米德2200年前做的那樣。換句話說,微積分就是讓難題變得更容易處理。

雖然幾乎所有關(guan) 於(yu) 微積分的教科書(shu) 都有1000頁,但微積分真正想要達到的是簡單。

然而,切分問題並不是微積分的主要思想。我們(men) 不斷地進行運算,不管是微分運算還是積分運算,這可能是有史以來最關(guan) 鍵的數學技術。這兩(liang) 個(ge) 概念都涉及到這樣一種思想:我們(men) 可以做一些無限的事情來得到一個(ge) 有限的答案。由於(yu) 微積分是變化的數學,根據定義(yi) ,微積分必須是連續的。連續性是微積分的本質。

積分就是求出水平軸上一條直線下的麵積。例如,速度-時間圖下的麵積就是實際走過的距離。積分可以通過將麵積分割成無限小的矩形,然後將矩形的所有麵積相加得到曲線下的準確麵積來實現。通過無限小矩形的極限,可以求出曲線下的精確麵積。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

微分是關(guan) 於(yu) 事物移動或變化的速度(變化率)。它被用來求速度曲線的切線。一條曲線可以看作是改變方向,運動可以看作是改變位置。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

這兩(liang) 個(ge) 概念都涉及到處理無限小或無限接近的事物。

有趣的是,在阿基米德被士兵殺死後,微積分的發展立即停止了,並停滯了1500多年。人類必須等到17世紀才能走得更遠。微積分是在那個(ge) 時代正式被發現的,它使數學家和工程師能夠真正理解我們(men) 周圍世界的運動和動態變化,比如行星的軌道和流體(ti) 的運動。在微積分發明之後,科學革命正式開始了,這並非巧合。在這個(ge) 時期,人們(men) 發現了許多偉(wei) 大的數學思想、公式和證明。

17世紀30年代,德國數學家開普勒、意大利數學家卡瓦列裏和伽利略分別改進了阿基米德的窮竭法,使其成為(wei) 現代版本。這種技術被稱為(wei) “無限分割法”。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 上:伽利略伽利略|中:約翰內斯開普勒|下:博納文圖拉卡瓦列裏

無限分割法的基本思想是通過畫無窮多條平行線,得到無窮多個(ge) 矩形,直到矩形的寬度不能再細分為(wei) 止,從(cong) 而確定任意圖形的大小。之後,每個(ge) 矩形的麵積之和將等於(yu) 開始時圖形的大小。這種方法與(yu) 積分法非常相似。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

在卡瓦列裏之後,包括勒內(nei) ·笛卡爾、皮埃爾·德·費馬、布萊斯·帕斯卡、艾薩克·牛頓和戈特弗裏德·威廉·萊布尼茨在內(nei) 的許多數學家開始研究微積分。這些數學家中沒有一個(ge) 人知道,他們(men) 即將創造曆史上最不可思議的裏程碑之一。然而,隻有牛頓和萊布尼茨能夠完成他們(men) 的工作並發表它。這兩(liang) 個(ge) 天才通過向世界介紹微積分永遠地改變了數學和科學。它還導致大學裏平均多開設了20門數學課程。學生們(men) 現在接觸到一個(ge) 涉及數學的更加多樣化的環境。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 艾薩克·牛頓和戈特弗裏德·威廉·萊布尼茨

在萊布尼茨和牛頓於(yu) 17世紀發表了他們(men) 的發現之後,數學的力量得到了自希臘時代以來最顯著的增長。值得慶幸的是,他們(men) 的原始著作記錄了微積分的發現,至今仍保存在劍橋大學圖書(shu) 館,我們(men) 有機會(hui) 看到他們(men) 重新發現微積分的數學之旅。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 數學寶藏:萊布尼茲關於微積分的論文
微積分出現後,人類就再也擋不住了

 


微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 牛頓論文:《自然哲學的數學原理》|來源:劍橋大學數字圖書館

今天,當我們(men) 放下手機,開始談論一些物理問題時,我們(men) 很可能會(hui) 提到三位科學家的名字,愛因斯坦,費曼和牛頓。既然我們(men) 提到了牛頓,我們(men) 也必須談談萊布尼茨。然而,牛頓,當然還有萊布尼茨為(wei) 未來的物理學家和數學家打開了大門。

一方麵,牛頓想要解釋哥白尼、開普勒和伽利略的天文係統,以描述引力是如何工作的。另一方麵,萊布尼茨想把邏輯規則正式化,使數學推理係統化。他一生致力於(yu) 使所有的推理過程機械化。牛頓和萊布尼茨在微積分的幫助下都取得了成功。

牛頓是那種什麽(me) 都想知道的人。他想看到神秘事物背後的真相,並向世界各地的人們(men) 解釋它們(men) 。

一個(ge) 蘋果從(cong) 來沒有落在牛頓的頭上,但他想知道為(wei) 什麽(me) 月亮是站在天上,而不是下落。

在此之前,成千上萬(wan) 的人已經一次又一次地看到過天上的月亮,但隻有牛頓問過為(wei) 什麽(me) 月亮不會(hui) 落到地球上。這個(ge) 問題對他來說是個(ge) 轉折點,也是全人類的轉折點。它會(hui) 促使他去發現許多他熱衷的事情,在某種程度上,它甚至讓他著迷。例如,當他癡迷於(yu) 煉金術時,他對把鉛變成金子不感興(xing) 趣。

他還癡迷於(yu) 重力。當他意識到重力的存在時,他想要計算出在任何給定時間下落物體(ti) 的速度。他知道,如果你讓一個(ge) 物體(ti) 下落,它的速度會(hui) 在每一刻增加,直到它落到地麵。因此,物體(ti) 在任何時刻都必須有一定的速度。他不知道有什麽(me) 數學方法可以充分計算出這些瞬時速度。

因此,他需要提出某種動態數學係統來幫助解釋他的萬(wan) 有引力情況。首先,他掌握了笛卡爾求切線的方法。然後,他意識到隨著曲線的正割越來越小,斜率就變成了一個(ge) 精確的點,我們(men) 可以在這一點畫一條切線。在那一刻,他發現了一個(ge) 非凡的數學概念,瞬時變化率,這就是我們(men) 今天看到的微分學。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

當他發現自己最癡迷的東(dong) 西時,他很高興(xing) 。他感到一陣自由。然而,有一天,天文學家埃德蒙·哈雷坐在椅子上喝著茶,特別問牛頓太陽是如何在不可見的情況下控製行星的。他花了好幾年的時間來回答這個(ge) 問題,但當他終於(yu) 能夠解釋時,他第一次明確指出,引力是所有行星圍繞太陽運行的力量。在那一刻,他完全理解了開普勒。

幸運的是,他在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書(shu) 中把自己的筆記結合了起來。通過這本書(shu) ,他將笛卡爾、伽利略、開普勒和哥白尼的工作統一為(wei) 一個(ge) 數學上的健全體(ti) 係。這是自亞(ya) 裏士多德以來,歐洲的自然哲學家第一次有了一個(ge) 單一的係統來理解事物是什麽(me) 和怎樣的。然而,要完全理解《原理》幾乎是不可能的,因為(wei) 數學太深奧了。他必須從(cong) 幾何學的角度來討論微積分,因為(wei) 以前沒有人聽說過微積分!他稱自己的發現為(wei) “運動的數學”。在接下來的三個(ge) 世紀裏,他的書(shu) 將主導科學界對宇宙的看法。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 牛頓的《自然哲學原理》第一版的個人副本在劍橋大學圖書館展出。

你可以看出,牛頓發展了一個(ge) 新的動態數學係統,微積分,以擁有他需要的工具來解決(jue) 和解釋物理問題。顯然,微積分是隨著代數的不足而出現的。在接下來的過程中,將會(hui) 使用代數方法來求解事件的微分方程,從(cong) 而得到快速發展。

萊布尼茨獨立發現了微積分,今天,我們(men) 使用他的微積分。萊布尼茨的微積分方法是從(cong) 形而上學的角度出發的,這就是為(wei) 什麽(me) 萊布尼茨的微積分是一個(ge) 推理係統。他主要研究當代數學問題。當他發現無限個(ge) 矩形的和的概念時,他頓悟了。他的感覺是,他剛剛發現了形成一個(ge) 全新的數學體(ti) 係的潛力,這個(ge) 體(ti) 係將來會(hui) 被稱為(wei) 微積分。

1684年,萊布尼茨獨立於(yu) 艾薩克·牛頓發表了他的著作。數學家們(men) 能夠很快理解微分和積分的概念,因為(wei) 他還發明了一個(ge) 強大而靈活的符號。萊布尼茨在曆史上第一次用“積分的概念”來求函數曲線下的麵積。在此過程中,他做了必要的記號,包括微分的“d”和積分的“long S - summa”。這就是為(wei) 什麽(me) 我們(men) 今天仍然使用萊布尼茲(zi) 符號。

此外,萊布尼茨對“變化的概念”的描述與(yu) 牛頓非常不同。對於(yu) 萊布尼茨來說,變化是在一個(ge) 稱為(wei) 無窮小的無限接近值序列範圍內(nei) 的差異。無窮小就是那些小的量,比如那些小矩形,沒有任何方法可以測量它們(men) 。後來,數學家們(men) 把它描述為(wei) 極限。

微積分出現後,人類就再也擋不住了

 

  • 極限的定義

希臘數學家考慮的是無窮和極限。哲人芝諾曾說過,如果一個(ge) 人要接近一堵牆的一半,他就不可能朝牆走去,也不可能碰到它。首先,它們(men) 要穿過半個(ge) 房間,然後是半個(ge) 房間,然後是半個(ge) 房間,以此類推。因為(wei) 這個(ge) 剩餘(yu) 的距離可以被無限次分成兩(liang) 半,它們(men) 永遠到不了那堵牆。

科學家和哲學家每周進行討論,並從(cong) 一開始就讚成牛頓,從(cong) 而對牛頓和萊布尼茲(zi) 的案子進行了不公平的辯論。牛頓是皇家學會(hui) 的主席,但從(cong) 來沒有給萊布尼茲(zi) 一個(ge) 捍衛自己的機會(hui) 。最終,牛頓被認為(wei) 是第一個(ge) 發現者。直到去世,萊布尼茲(zi) 一直在努力證明自己是在沒有查閱牛頓筆記的情況下發明微積分的。他從(cong) 來沒有真正得到過應得的榮譽,因此,萊布尼茲(zi) 的英文著作仍然沒有完整版!

我希望牛頓,這個(ge) 已經發現了萬(wan) 有引力定律的人,能表現出善意,把微積分留給萊布尼茨,但他沒有!



關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號,在對話框:
回複【最新活動】,了解近期科普活動
回複【科普行】,了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】,了解最新科普研學營
回複【科普課堂】,了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】,了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】,了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】,了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】,學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站

聽說,打賞我的人最後都找到了真愛。
做科普,我們是認真的!
掃描關注深i科普公眾號
加入科普活動群
  • 參加最新科普活動
  • 認識科普小朋友
  • 成為科學小記者