函数的起源与发展
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函数的起源与发展
今天的数学大厦已有数千年历史,这是世界数代数学家不断建设完善的结果,伴随着数学思想的发展,函数概念由模糊逐渐严密,对于数学和科学来说,函数是一个最重要,最有意义的数学概念,是人类心智发展的重要标志。
——引言
众所周知,函数概念是在集合论的基础上产生的。
设A,B是非空的集合,如果按照某种确定的对应关系f,使对于集合A中的任意一个元素x,在集合B中都有唯一确定的元素和它对应,那么就
称为从集合A到集合B的一个函数,记作或
。
这个概念的产生也是有一段故事的,而故事的背后是时间的推动,是艰辛的岁月。
十六、十七世纪,欧洲资本主义国家先后兴起,为了争夺霸权,迫切需要发展航海和军火工业。为了发展航海事业,就需要确定船只在大海中的位置,在地球上的经纬度。
要打仗,也需知道如何使炮弹打的准确无误等问题,这就促使了人们对各种“运动”的研究,对各种运动中的数量关系进行研究,这就为函数概念的产生提供了客观实际需要的基础。
十七世纪中叶,笛卡儿(Descartes)引入变数(变量)的概念,制定了解析几何学,从而打破了局限于方程的未知数的理解;后来,牛顿(Newton)、莱布尼兹(Leibniz)分别独立的建立了微分学说。
这期间,随着数学内容的丰富,各种具体的函数已大量出现,但函数还未被给出一个一般的定义。牛顿于1665年开始研究微积分之后,一直用“流量”(fluent)一词来表示变量间的关系。1673年,莱布尼兹在一篇手稿里第一次用“函数”(fluent)这一名词,他用函数表示任何一个随着曲线上的点的变动而变动的量。(定义1)这可以说是函数的第一个“定义”。
例如,切线,弦,法线等长度和横、纵坐标,后来,又用这个名词表示幂,即表示x , x2, x3,…。显然,“函数”这个词最初的含义是非常的模糊和不准确的。人们是不会满足于这样不准确的概念,数学家们纷纷对函数进行进一步讨论。
以“变量”为基础的函数概念在1718年,瑞士科学家,莱布尼兹的学生约翰·贝奴里(Bernoulli,Johann)给出了函数的明确定义:变量的函数是由这些变量与常量所组成的一个解析表达式。并在此给出了函数的记号φx。这一定义使得函数第一次有了解析意义。
十八世纪中叶,著名的数学家达朗贝尔(D’Alembert)和欧拉(Euler)在研究弦振动时,感到有必要给出函数的一般定义。达朗贝尔认为函数是指任意的解析式,在1748年欧拉的定义是:函数是随意画出的一条曲线。在此之前的1734年,欧拉也给出了一种函数的符号f(x),这个符号我们一直沿用至今。实际上,这两种定义就是现在通用的函数的两种表示方法:解析法和图像法。
后来,由于富里埃级数的出现,沟通了解析式与曲线间的联系,但是用解析式来定义函数,显然是片面的,因为有很多函数是没有解析式的,如狄利克雷函数。1775年,欧拉在《微分学原理》一书的前言中给出了更广泛的定义:如
果某些变量,以这样一种方式依赖与另一些变量,即当后面这些变量变化时,前面这些变量也随之而变化,则将前面的变量称为后面变量的函数。这个定义朴素地反映了函数中的辨证因素,体现了“自变”到“因变”的生动过程,但未提到两个变量之间的对应关系,因此它并未反映出真正意义上的科学函数概念的特征,只是科学的定义函数概念的“雏形”。
函数是从研究物体运动而引出的一个概念,因此前几种函数概念的定义只是认识到了变量“变化”的关系,如自由落体运动下降的路程,单摆运动的幅角等都可以是看成时间的函数。很明显,只从运动中变量“变化”观点来理解函数,对函数概念的了解就有一定的局限性。如对常值函数,不好解释。
十九世纪初,拉克若斯(Lacroix)正式提出只要有一个变量依赖另一个变量,前者就是后者的函数。1834年,俄国数学家罗巴契夫斯基(Лобачевский)进一步提出函数的定义:x的函数是这样的一个数,它对于每一个x都有确定的值,并且随着x一起变化,函数值可以由解析式给出,这个条件提供了一种寻求全部对应值的方法,函数的这种依赖关系可以存在,但仍然是未知的。(定义5)这实际是“列表定义”,好像有一个“表格”,其中一栏是x值,另一栏是与它相对应的y值。这个定义指出了对应关系(条件)的必要性,把函数的“对应”思想表现出来,而“对应”概念正是函数概念的本质与核心。
十九世纪法国数学家柯西(Cauchy)更明确的给出定义:有两个互相联系的变量,一个变量的数值可以在某一范围内任意变化,这样的变量叫做自变量,另一个变量的数值随着自变量的数值而变化,这个变量称为因变量,并且称因变量为自变量的函数。
直到1930年,现代的函数概念才“出炉”,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。
函数的应用领域是非常广泛的,几乎每个领域都有它的身影。下面来看一道千古谜题。
题目要求相当简单:只用圆规和没有刻度的直尺,作出一个正十七边形。(尺规作图)
要作正十七边形,还只能用尺规,谈何容易。然而一个数学天才只用一个晚上就解决了,他的名字就是高斯。
作图方法:
步骤一:
给一圆O,作两垂直的半径OA、OB,作C点使OC=1/4OB,作D点使∠OCD=1/4∠OCA,
作AO延长线上E点使得∠DCE=45度。
步骤二:
作AE中点M,并以M为圆心作一圆过A点,此圆交OB于F点,再以D 为圆心,作一圆过F点,此圆交直线OA于G4和G6两点。
步骤三:
过G4作OA垂直线交圆O于P4,过G6作OA垂直线交圆O于P6,
则以圆O为基准圆,A为正十七边形之第一顶点P4为第四顶点,P6为第六顶点。
连接P4P6,以1/2弧P4P6为半径,在圆上不断截取,即可在此圆上截出正十七边形的所有顶点。
证明方法:
设正17边形中心角为a,则17a=360°,即16a=360°-a
故sin16a=-sina,
而sin16a=2sin8acos8a=4sin4acos4acos8a=16sinacosacos2acos4acos8a 因sina不等于0,两边除之有:
16cosacos2acos4acos8a=-1
又由2cosacos2a=cosa+cos3a等,
有2(cosa+cos2a+…+cos8a)=-1
注意到
cos15a=cos2a,cos12a=cos5a,
令x=cosa+cos2a+cos4a+cos8№a
y=cos3a+cos5a+cos6a+cos7a
有: x+y=-1/2
又xy=(cosa+cos2a+cos4a+cos8a)(cos3a+cos5a+cos6a+cos7a)
=1/2(cos2a+cos4a+cos4a+cos6a+…+cosa+cos15a)
经计算知xy=-1又有
x=(-1+根号17)/4,y=(-1-根号17)/4
其次再设
x1=cosa+cos4a,x2=cos2a+cos8a
y1=cos3a+cos5a,y2=cos6a+cos7a
故有x1+x2=(-1+根号17)/4 y1+y2=(-1-根号17)/4