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微積分的名稱 Calculus一詞是源自拉丁文,原意是指石子。因為古歐洲人喜歡用石子來幫助計算,所以calculus被引申作計算的意思。

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1 微積分的名稱 Calculus一詞是源自拉丁文,原意是指石子。因為古歐洲人喜歡用石子來幫助計算,所以calculus被引申作計算的意思。
例:a calculous man不是指一位精通微積分的人,而是一位患腎結石的病人! 1

2 微積分這個中文詞,最早見諸清代數學家李善蘭和英國人Wylie(偉烈亞力)在1859年合譯的《代微積拾級》
李善蘭在譯序中說:『是書,先代數,次微分、次積分,由易而難,若階級之漸升。譯既竣,即名之曰代微積拾級。 』 2

3 思路和淵源 先積分,後微分,最後發展成為微積分 積分概念:源於解決面積、體積、弧長及重心等問題
微分概念:源於求變化率、曲線之切線,以及函數的極大、極小值問題 兩者是互逆的運算 3

4 積分概念的三大支柱 窮竭法 不可分元法 平衡法 4

5 窮竭法 Antiphon(安提豐,約430BC):『隨著一個內接正多邊形的邊數逐次成倍地增加,圓與正多邊形的面積之差最終將被窮竭。』

6 Eudoxus(歐多克斯,約370BC):『如果從任何量中減去一個不小於它的一半的部分,再從餘下部分減去不小於它的一半的另一部分,…等等,則最後將留下一個小於任何給定的同類量的量。 』

7 窮竭法 當矩形的數目愈來愈多,它們的面積之和會愈來愈逼近曲邊形的面積。

8 不可分元法 對一個平面片而言,其“不可分元”是指它的一條弦(chord) 對一個立體而言,其“不可分元”是指它的一個平面截面

9 不可分元法

10 Democritus(德謨克利特 460~370BC)
根據不可分元的想法,推出稜錐(或圓錐)的體積是具有同樣的底和高的稜柱(或圓柱)的體積的三分之一。

11 Cavalieri原理(卡瓦列利,1598~1647) :
(1) 若兩塊平面片處於二平行線之間,且被任意平行於此二平行線的直線截得的長度均相等,則這兩塊平面片的面積相等。 (2) 若兩個立體處於二平行面之間,且被任意平行於此二平行面的平面截得的面積均相等,則這兩個立體的體積相等。

12 Cavalieri原理

13 平衡法 Archimedes(阿基米德,287~212BC)的平衡法是這樣的:
“為了找所求物體的面積或體積,可以把它分成很多窄的平行條或平行層,然後(想像)把這些平行條或平行層掛在槓桿的一端,使它與已知容積和重心的物體保持平衡。” 阿基米德用平衡法求得球體的體積公式。

14 平衡法

15 古中國的極限思想 《莊子天下篇》曰:「一尺之棰,日取其半,萬世不竭。」
劉徽創割圓術,謂「割之彌細,所失彌少。割之又割,以至於不可割,則與圓合體而無所失矣。」 祖氏父子:『夫疊棋成立積,緣冪勢既同,則積不容異。』(注:“冪”指截面面積,“勢”指高度)

16 問題引路 第一類問題:已知距離表為時間的函數,求速度和加速度。反過來,已知加速度表為時間的函數,求距離和速度。
(例:Galileo曾探討此類問題) 第二類問題:求已知曲線的切線 (例:Archimedes, Fermat, Barrow曾探討此類問題)

17 第三類問題:求函數的極大或極小值 (例: Fermat, Barrow曾探討此類問題) 第四類問題:求弧長、面積、體積、重心或物體之間的引力 (例: Archimedes, Barrow, 劉徽及祖氏父子曾探討此類問題)

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20 促成微積分發展的先驅 Fermat(費馬)與Descartes(笛卡兒)分別創立「解釋幾何」(Analytic Geometry),把代數與幾何結合 Kepler(刻卜勒)發表運動三定律:(1)行星繞日運行的軌道是橢圓形,以太陽為焦點;(2)從日至行星的線段在相等的時間內掃過相等的面積;(3)行星繞日運行一周的周期之平方與橢圓軌道的半長軸之立方成正比。

21 Galileo(伽利略)開展科學數學化的方向。
他在1610年的一句名言: 『大自然的奧秘都寫在這部永遠展開在我們面前的偉大書本上,如果我們不先學會它所用的語言,就不能了解它……..這部書是用數學語言寫的。』

22 牛頓(Newton 1642~1727)

23 牛頓(Newton 1642~1727)的貢獻 1665年11月發現「流數法」(微分法) 1666年5月發現「反流數法」(積分法)
1669年完成《運用無窮多項方程的分析學》(1711年印行)。在論文中,他給出了求變量相對於時間的瞬時變化率之普遍方法。另外,他證明了面積可以由求變化率的逆過程得到(即「微積分基本定理」)

24 1671年和1676年分別完成《流數法和無窮級數》及《求曲邊形的面積》;但論文完成後,到1742及1693年才刊印。
1687年,好友哈雷(Halley)為他出版《自然哲學的數學原理》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)。這是一本包括力學理論和流數法的鉅著

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27 萊布尼茲(Leibnitz 1646~1716)

28 萊布尼茲(Leibnitz 1646~1716)的貢獻 1684年發表《一種求極大極小和切 線的新方法,適用於分式和無窮量,以及這種新方法的奇妙類型計算》 創立微積分符號,對微積分的傳播和發展產生很大影響,且一直沿用至今。

29 他使用的「差的計算」(Calculus Differentialis),後來成為專門術語「微分學」(Differential Calculus)
另外,「求和運算」(Calculus Summatorius)由數學家約翰伯努利改為「求整運算」,之後成為專門術語「積分學」(Integral Calculus) 兩者合稱為微積分(Calculus)

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32 Newton和Leibnitz研究的共同點
創立更一般和普遍的微積分方法 以代數方法代替幾何方法 以微分、積分方法解決變率、切線、極值及求和問題

33 Newton和Leibnitz研究的不同點
牛頓發展的概念 ,而萊布尼茲著重微分dx 牛頓研究微分概念是用來解決物理問題,萊布尼茲是為了解曲線切線問題 牛頓經常將函數表為級數,逐項微分或積分;而萊布尼茲則用閉式(closed-form)

34 萊布尼茲研究方式較理論化和條理化,且使用較簡單的符號,令微積分便於普及和流傳後世。


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