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數學史/文藝復興

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微積分的發明

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儘管微積分目前是數學、計算機科學、自然科學和工程教育中幾乎普遍存在的組成部分,但微積分的基本思想直到 17 世紀才在歐洲出現。這項工作主要由兩個人完成:艾薩克·牛頓爵士[1],一位以他的三條運動定律和萬有引力定律而聞名的英國科學家,以及戈特弗裡德·威廉·萊布尼茨,一位在非科學界名聲不顯的德國人。他們獨立地發展了自己的思想,儘管這已經被來自兩國的各方所爭論,因為兩國都希望為這一發現贏得榮譽。然而,今天許多教科書都將功勞歸於兩個人。

牛頓在 1666 年發明了他的微積分版本[2],當時劍橋大學在瘟疫期間關閉。儘管進入學校時對數學知之甚少,但他還是參加了艾薩克·巴羅的講座,在那裡他了解了巴羅用來確定切線的方法,以及其他內容。這些方法將對牛頓產生影響,牛頓後來將開發自己的方法作為微積分的一部分。在這段離開劍橋的期間,牛頓繼續進行他的研究,並在同一年做出了許多著名的發現。[3] 這些包括他的三條運動定律,如何將函式表示為無窮級數的和,萬有引力定律(現在已被愛因斯坦的廣義相對論所取代),以及對光色散形成彩虹的解釋。牛頓的微積分版本被大量應用於發展他的運動定律,儘管它們可以在不使用微積分的情況下重新表述。

例如,牛頓的第二運動定律最初寫成 F = dp/dt(以現代符號表示),其中 p 代表物體的動量(當時牛頓稱之為“運動量”。這是牛頓用來解決他問題的形式,包括對開普勒行星運動定律的證明。透過以下論證,該公式可以簡化為更著名的(並且在最基本的力學中更常用的)形式 F = ma

假設一個質量為 m 的質點在一個給定方向上受到淨力 F 的作用。然後 F = dp/dt。但這個質量是恆定的,所以它不受物體運動的影響。假設相對論效應可以忽略不計,p = mv,所以 dp = d(mv) = m (dv)。然後,將 m 因式分解,dp/dt = m[(dv)/dt]。然而,這僅僅是瞬時加速度的公式,所以 F = ma。牛頓從未以這種形式寫下他的方程,而是將力作為動量的導數。

牛頓的符號與今天常用的符號有很大的不同,他發明的科學名稱也是如此:“流數科學”。對於 f 對 x 的導數,牛頓沒有使用 (現在) 常用的 f'(x) 符號,而是使用了一個在變數頭上用點表示需要微分的符號。這個符號有一些明顯的缺陷;它們可能與用於向量的箭頭符號衝突,並且沒有指示要相對於哪個變數進行微分。然而,牛頓將此符號用於相對於時間的導數。

\dot{x} 是牛頓用來表示 x 對時間的導數的符號。二階導數,例如出現在加速度的定義中,寫成 \ddot{x}。雖然這可以擴充套件到包括任意數量的導數,但它的使用已經過時,除了在力學中,拉格朗日的 f'(x) 符號和萊布尼茨的 df/dt 符號在當今大多數數學分支中使用得更多。牛頓的符號並不完全一致;他的“點”符號是在寫完他的最著名作品《自然哲學的數學原理》之後才發展起來的,他在其中用了幾何論證,而不是他的任何點符號來解釋他描述的行星運動。[4]

牛頓的工作遭到了相當多的批評。值得注意的是,牛頓的第一運動定律,慣性定律,被指責是從伽利略的工作中竊取的;他的光的微粒 (粒子) 理論已經被克里斯蒂安·惠更斯的波動理論以及後來的量子力學所廢除,如前所述,他的萬有引力定律已被相對論所取代。在一些純粹數學家看來,牛頓的微積分也充滿了錯誤。當時,這場爭議的很大一部分集中在牛頓對無窮小的使用上。[需要進一步說明牛頓對無窮小的使用。

參考文獻

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  1. 斯圖爾特,詹姆斯。微積分:早期超越函式,第 7 版。
  2. 斯圖爾特,詹姆斯。微積分:早期超越函式,第 7 版。
  3. 斯圖爾特,詹姆斯。微積分:早期超越函式,第 7 版。
  4. 艾薩克·牛頓。維基百科頁面。
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