微积分建立的时代背景和历史意义

微积分建立的时代背景和历史意义

目的要求

1．了解微积分建立的时代背景和历史意义，进一步形成客观事物具有相互制约、相互转化、对立统一的辩证关系的观点。

2．通过了解微积分思想方法形成的历史过程，学生对数学的本质、数学方法及数学对社会发展的意义和作用有较明晰的认识，激发学习数学的热情。

内容分析

初步学习了极限、导数等微积分基础知识之后，试验修订本教科书特别安排了介绍微积分建立的时代背景和历史意义的内容。这在中小学数学必修教科书中尚属首次，是教科书编写的创新。了解数学的历史，既是提高自身修养的途径，又是自觉有效地学习、应用数学的催化剂。数学作为人类文明的主要组成部分，它的发展规律及与其他文化的关系，应该为更多的公民所了解。

本节课的主要内容包括三个部分：第一部分是微积分思想方法的萌芽、积累、诞生的历史回顾，着重围绕与大量实际问题相关的求曲线的切线及求函数的极值（对文科学生）问题，阐述变量与极限思想；第二部分是微积分思想方法对数学科学及自然科学发展的作用；第三部分是牛顿、莱布尼茨发明微积分思想方法对我们的启发，主要是阐述自己对数学、数学方法以及发现发明的认识。

教科书对本节内容阐述得较详细、系统，讲授时可先让学生阅读，教师可挑选几位数学家如刘徽、笛卡尔、费马、牛顿等的工作作一介绍，着重阐述他们研究的问题与微积分思想方法的相关程度。之后可让学生讨论自己对微积分发明的体会。

教学过程

（一）引入

1．用电脑展示微积分发明者——牛顿与莱布尼茨的像片。

微积分发明人

2．前面我们学习了极限与导数，已经领咯到了在利用导数求曲线的切线方程、讨论函数的单调性与极值问题中所显示出的无比优越性。我们不禁会问；牛顿与菜布尼茨是怎样发明这样高明的数学方法的，是灵感在一夜之间的闪现还是前人长期努力的结晶？

（二）新课

1．学生阅读教科书第70页至第73页内容，着重了解微积分思想方法的时代背景，之后，请学生提问，将教科书中不理解的问题提出来，师生共同讨论交流。如：

（1）17世纪自然科学的三大发明是指什么？

（2）为什么说刘徽的“割圆术”包含着微积分概念的萌芽？

（3）曲线在某点处的法线是指什么直线？

（4）为什么说笛卡儿、费马等人发明的解析几何是数学中的转折点？

„„

对上述问题，教师在课前应充分准备，有些不能三言两语解释的，应告诉学生阅读哪些参考资料。（加龚昇著《话说微积分》，中国科学技术大学出版社，1998；上互联网：）

2．介绍刘徽、笛卡尔、费马、牛顿与菜布尼茨的数学方法。

（1）刘徽的“割圆术”。

魏晋南北朝时期的数学家刘徽提出割圆术作为计算圆的周长、面积以及圆周率的基础。其方法是“割之弥细，所失弥少，割之又割，以至于不可割，则与圆台体而无所失矣。”也就是说：刘徽用圆内接正多边形去逐步逼近圆。

如图，设圆面积为S，半径为r，圆内接正n边形边长为ln，周长为Ln，面积为Sn。将边数加倍后，得到圆内接正2n边形，其边长、周长、面积分别记为l2n、L2n、S2n，则

211AC2CD2lnrr2ln， 2222 l2nAD

S2nn11ABCDLnr， 22

S2nSS2n(S2nSn)。

当n无限增大时，S2n便趋于圆的面积，祖冲之按刘徽割圆术从正六边形连续算到正24576边形时，得到圆周率π的上下限：3.1415926

刘徽割圆的逼近思想是以后极限思想的萌芽，为定积分概念的形成积累了素材。

（2）笛卡儿求切线的“圆法”。

法国数学家笛卡儿用代数方法（即圆法）求出了曲线在其上某一点处的切线方程。 笛卡儿求曲线y=f（x）过点P（x，f（x））的切线斜率的“圆法”是：（如图）过C点（曲线在点P处的法线与x轴的交点）作半径为r=CP的圆C：(xv)yr。因CP是曲线y=f（x）在P点的法线，则P应是曲线与圆C的“重交点”。若[f(x)]是多项式函数，有重交点就相当于方程[f(x)](xv)r2222222有重根x=e，从而

[f(x)]2(xv)2r2(xe)2(c1xnc2xn1cnxcn1)，比较系数得v与e的关系，代入e=x，便得过P点的切线斜率kvx。 f(x)

以yx为例。点P(x,x)。设

(x)(xv)r(xe)(xc1xc2xc3xc4)，经特定系数法得知： c12e,c23e,c34e,c415e,ve3e。 [1**********]233

vx(x3x5)x3x2。 故切线斜率k33xx

笛卡尔的代数方法正是后来求切线方法的雏形，牛顿就是以笛卡儿圆法为起跑点而踏上研究微积分道路的。

（3）费马求极值的代数方法。

法国数学家费马求函数y=f（x）在点a处极值（如果存在的话）的代数方法是：用a+e代替a，并使f（a+e）与f（a）“逼近”，即f（a+e）→f（a）。

消去公共项后，用e除两边，再令e消失，即

f(ae)f(a)0， ee0

由此方程求出的a就是f（x）的极值点。

以f(x)x2x2为例，f(ae)f(a)2aee2e， 22

f(ae)f(a)0即2a20,a1。 ee0

-1是f（x）的极值点。

费马的方法几乎相当于后来微分学中的方法，只是以符号e代替了增量△x。可以说费马已经走到了微积分的边缘了，再往前迈一步，微积分的发明人也许要改弦易辙了。

（4）牛顿的“流数术”

牛顿以他的运动学为背景，总结了笛卡尔、费马等人的方法，提出了具有一般意义的“流数”概念，他的《流数简论》的问世标志着微积分的诞生。

以函数yx(nN*)为例说明流数概念。

设x变为x+o，则x变为(xo)nnnC

k0nknxnkok，

，设增量o消失，它们的比就是 (xo)x(xo)nxn1n(n1)n2nxn1xoon1

2

1n，这就是x的流数与的流数之比。 xn1nx

流数就是现在的微商dx。 dy

然后牛顿使用流数概念应用于求曲线切线、曲率、拐点，曲线求长、求积、求引力与引力中心等大量问题，展示了流数及其算法的极大普通性与系统性。

同时莱布尼茨从几何角度关于特征三角形的研究也得到了与牛顿类似的结论与算法。

3．交流思想与体会。主要谈谈对微积分发明的感想及其对自己的启示。

（1）微积分的发明不是一蹴而就的，而是人类集体智慧的结晶，是无数科学家长期奋斗的结果。

（2）数学来源于实践，没有当时大量实际问题的涌现，没有科学家深入实际，将大量实际问题转化为数学问题的研究，是不可能产生微积分理论的。

（3）渊博的知识，谦虚的治学作风，是学术上取得成就的必要条件。牛顿说“如果我看得更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上”，牛顿与莱布尼茨的高明之处之一就是善于总结他人的研究成果。提出自己的主张。

„„

布置作业

恩格斯说：“在一切理论在就中，未必再有什么像17世纪下半叶微积分的发现那样被看

作人类精神的最高胜利了。如果在某个地方我们看到人类精神的纯粹和唯一的功绩，那就正是在这里。”请你结合今天上课的内容，谈谈你对恩格斯这段话的理解。

（洪建明）