微积分史之欧拉-终版.pdf
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1、微积分史 The History of Calculus 第四讲欧拉 欧拉生平 内容提要 重要贡献 结语 重要贡献概览 对微积分的贡献 对几何的贡献 对复变函数的贡献 对数论的贡献 欧拉与变分法 欧拉的优秀品质 莱昂哈德 欧拉 (Leonhard Euler) 17071783, 瑞士数学家, 自然科学家 欧拉1707年4月15日出生于瑞士巴塞尔一个牧师家庭, 父亲 最初希望他学神学, 但后来发现欧拉在数学方面很有天分, 在朋友约翰 伯努利 (Johann Bernoulli, 当时欧洲最优秀的 数学家) 的建议下, 开始学数学. 欧拉13岁就进入了巴塞尔大学, 主修哲学和法律, 但在每周 六
2、下午跟约翰学习数学; 15岁在巴塞尔大学获得学士学位, 翌年 (1723年) 取得了他的哲学硕士学位. 之后, 欧拉遵从他父亲的意愿进入了神学系, 1726年, 欧拉 完成了他的博士学位论文. 欧拉28岁左眼失明, 59岁时双目失明, 他完全是依靠惊人的 记忆和心算能力以及超强的意志力进行研究与写作. 成长经历 欧拉生平 1727年, 欧拉受俄国女皇叶卡捷琳娜一世邀请, 到俄国皇家科 学院医学和生理学部工作. 1731年, 获得俄国皇家科学院物理学教授的职位. 1733年, 成为俄国皇家科学院数学所所长. 1735年, 在俄国皇家科学院地理所担任职务, 协助编制俄国第 一张全境地图, 也因此累
3、瞎了一只眼睛. 1741年, 为躲避俄国动乱, 欧拉到德国柏林科学院就职. 1755年, 成为瑞典皇家科学院的外籍成员. 1766年, 欧拉因无法忍受德国宫廷的关系, 再次回到俄国. 这 一年他双目失明. 欧拉的科学生涯主要是在 俄国皇家科学院 (圣彼得堡科学院) (17271741; 17661783) 和 德国柏林科学院 (17411766) 度过的. 工作经历 欧拉生平 重要贡献 重要贡献概览 欧拉还解决了著名的组合问题:柯尼斯堡七桥问题. 在数 学的许多分支中都常常见到以他的名字命名的重要常数、 公式和定理: 如初等几何的欧拉线, 多面体的欧拉定理, 立 体解析几何的欧拉变换公式, 四
4、次方程的欧拉解法, 欧拉常 数等等.欧拉 欧拉作为一名极具影响力的数学家和自然科学家, 他不仅 在数学的诸多领域, 如实(复)分析、几何、复变函数、数论 等方面做出了巨大的贡献, 更把整个数学推至物理领域, 他 称得上刚体力学和流体力学的奠基者, 弹性系统稳定性理论 的开创人. 欧拉于1748年撰写了经典著作无穷小分析引论, 被 认为是分析学的基石. 对微积分的贡献 欧拉接过了牛顿和莱布尼茨的流数和微分方法, 使它们成 为数学的一个更一般的分支, 打那以后, 这一分支就被称作 “分析学”- 对无穷过程的研究. 重要贡献 值得一提的, 欧拉在无穷小分析引论 中给出了第一个关于函数概念的正式定 义
5、, 他使用记号 f(x) 表示 f 是 x 的函数, 并重新将微积分作为函数理论, 而非几 何曲线的研究方法. 约翰 伯努利曾这样赞许自己这位学生在分析方面的青出于蓝 : “ 我介绍高等分析时, 它还是个孩子, 而您正在将它带大成人.” 2 2 1 1111 1., 49166 k k (莱布尼茨级数) (雅各布伯努利难题) 1 1 ( 1)111 1., 213574 k k k 欧拉在无穷级数求和方面的才智是有目共睹, 比如他用 一种统一的原理求解出了莱布尼茨级数和雅各布 伯努 利难题: 重要贡献 对微积分的贡献 - 一个引人注目的求和 欧拉求解这些无穷级数的和的思路如下: 欧拉首先给出下
6、面的结果: 引理 如果 P(x) = 1 + Ax + Bx2 + Cx3 + + = (1+1x) (1+2x) (1+3x) , 则无论这些因式的 “数目是有限数还是无限数” , 都有 , k A 22 2 , k AB 33 33 , k AABC 4422 4424 , k AA BACBD 等等. 重要贡献 对微积分的贡献 - 一个引人注目的求和 欧拉考察函数( )cossin, 44 P xxx 将它展开成级数形式: 2345 2345 2345 ( )1. 442!43!44!45! P xxxxxx - P(x)的根的负倒数之和 - P(x)的根的负倒数平方之和 - P(x)的
7、根的负倒数立方之和 根据引理, 可确定这个无穷级数的系数为 234 4 234 , , , , . 442!43!44! ABCDx 重要贡献 对微积分的贡献 - 一个引人注目的求和 然后, 令 0( )cossin, 44 P xxx 得到 tan1, 4 x 其根为 x = 1, 3, 5, 7, 9, , 这些根的负倒数就是 引理中的k, 所以 12345 1111 1, , , , , . 3579 按照引理, , k A 于是欧拉得到了莱布尼茨级数: 1 1 ( 1)111 1. 213574 k k k 利用引理中的第二个关系式: 22 2 , k AB 欧拉先得到奇数平方的倒数之
8、和: 22 2 2 1 1 ()2(), (21)4328 k k 因此, 欧拉很容易回答雅各布关于所有平方倒数之和的问题. 222 111 1111 (21)4 kkk kkk 重要贡献 对微积分的贡献 - 一个引人注目的求和 2 22 11 141 . 3(21)6 kk kk 12 3 1 ( 1) , (21)32 k k k 重复利用这个引理欧拉推出了一系列级数的求和公式, 例如 215 45 11 1( 1)5 , 90(21)1536 k kk kk 等等. 56 1 0 (ln )31 , 1252 x dx x 0 sin , 2 xdx x 1 22 0 sin( ln )
9、 cos( ln )12 arctan. ln21 pxpxp dx xpq 1 0 sin(ln ) , ln4 x dx x 欧拉是历史上最重要的求积专家之一. 被积函数越是奇特, 他做的越是得心应手. 在他的著作中随处可见下面一类非 同寻常的例子: 对微积分的贡献 - 一个积分的计算 重要贡献 作为一个奇特例子的典型, 我们考察欧拉对下面积分的求 积过程: 1 0 sin(ln ) . ln x dx x 欧拉采用一个备受推崇的策略:只要可能就引入一个无穷 级数: 对微积分的贡献 - 一个积分的计算 重要贡献 357 (ln )(ln )(ln ) ln sin(ln ) 3!5!7!
10、lnln xxx x x xx 246 (ln )(ln )(ln ) 1 3!5!7! xxx 用积分的无穷级数代替无穷级数的积分, 得到 1 0 1111 246 0000 sin(ln ) ln 111 1(ln )(ln )(ln ) 3!5!7! x dx x dxx dxxdxxdx 形如的积分不禁使人联想到前边讲到约翰 伯努利积分公式, 而欧拉立即看出其递归形式: 1 0 (ln )nxdx 对微积分的贡献 - 一个积分的计算 重要贡献 11 22 00 (ln ) (ln )2 ln2 22!,xdxxxxxx 1 4432 0 1 0 (ln ) (ln )2 (ln )12
11、 (ln ) 24 ln24 244!, xdxxxxxxx xxx 1 6 0 (ln )7206!,xdx 以此类推. 将此结果代入上边的积分, 欧拉得到 1 0 sin(ln )2!4!6! 1 ln3!5!7! x dx x 111 1. 3574 1743年, 欧拉关于n阶常系数线性齐次方程的完整解法, 实现了高阶常微分方程求解的重要突破. 对于n阶常系数 方程 对微积分的贡献 - 微分方程的求解 重要贡献 1728年, 欧拉在一篇题为将二阶微分方程化为一阶微 分方程的新方法的论文中, 引进著名的指数代换将三 类相当广泛的二阶常微分方程化为一阶方程, 这是二阶 常微分方程系统研究的开
12、始. 23 23 0, n n dyd yd yd y AyBCDL dxdxdxdx 欧拉引进指数代换: y = eqx(q为常数) 得到所谓的特征方程: A + Bq + Cq2+ Dq3+ + Lqn= 0. 当 q 是该方程的一个实单根时, aeqx原微分方程一个特解; 对微积分的贡献 - 微分方程的求解 重要贡献 当 q 是特征方程的 k 重根时, 欧拉用代换 y = eqxu(x) 求得 y = eqx(1+ 2 x + 3 x2+ 4 q3+ + kxk1) 为包含k 个任意常数的解. 欧拉指出: n 阶方程的通解是其 n 个特解的线性组合. )(. 1 )1(1 1 )( xf
13、ypyxpyxpyx nn nnnn 欧拉是最早明确区分“通解”和“特解”的数学家. 其中p1, p2, , pn为常数, 欧拉指出可以运用指数代换 x = et 或 t = lnx 转化为以 t 为自变量常系数微分方程, 进而求解. 对于下边的变系数欧拉方程: 17341735年, 欧拉提出用 “ 积分因子法 ” 求解下面 的一阶常微分方程: Pdx + Qdy = 0. 对微积分的贡献 - 微分方程的求解 重要贡献 即:将方程乘以一个叫“ 积分因子 ” 的量, 而使它成为 “ 恰 当方程 ” (方程左端 Pdx + Qdy 恰好是某个函数 z = f (x, y) 的全微分) , 并指出如
14、果方程是恰当的, 它就可以积分. 18世纪50年代后期, 欧拉开始大量使用级数作为微分 方程的解, 并研究了微分方程的级数解法. 值得提出的是, 偏微分方程的纯数学研究的第一篇论文 是欧拉18世纪30年代写的方程的积分法研究. 欧拉还是数值计算的欧拉近似法的创始人. 众所周知, 阿基米德估计值的方法是画出圆的内接 (和 外切) 正多边形, 然后用这两个多边形的周长估计圆的周 长. 他从内接和外切正方形开始计算, 然后将边数加倍到 12边、24边、48边, 最后直至96边. 他证明了: 从而 精确到两位小数的值就是3.14. 1 3 7 10 3 71 任意圆的周长与直径的比值小于而大于, 对微
15、积分的贡献 - 的欧拉估值 重要贡献 利用阿基米德的思想, 韦达 (Vieta) 于1579年用6216= 393216边的正多边形, 求出 精确到9位小数的值. 这种几何近似的方法在鲁道夫 (Ludolf) 手里达到了顶峰. 他用262边的正多边形计算 精确到35位小数. 不幸的是, 这个计算过程中的每一次新的近似都需要求一个 新的平方根. 阿基米德的内接96边形的的估计值为 48 2223 , 在计算这5重平方根以后, 才得到仅有2位小数的精度; 对微积分的贡献 - 的欧拉估值 重要贡献 而韦达所求的17重平方根, 只得到9位小数的精度; 鲁道夫的近似值需要手工计算60重平方根, 而且每次
16、计算都 需要取35位小数. 欧拉将这种工作比喻为大力神海格力斯 式的笨重劳动. 欧拉考虑使用詹姆斯. 格雷戈里发现的反正切的无穷级数: 357 arctan. 357 xxx xx 对于 x = 1, 这个级数变成莱布尼茨级数 1111 arctan11, 43579 对微积分的贡献 - 的欧拉估值 重要贡献 它对计算的近似值毫无价值, 因其收敛速度极为缓慢. 但 如果我们代入一个接近于0的x值, 其收敛速度就会比较快. 1111 arctan(), 6333 3 35 9 3 所以, 6111 (1), 3 35 97 273 这是对于莱布尼茨级数的改进, 因为各项的分母增长非常快. 但另一
17、方面, 并不是那么小, 而且这个级数包含平方 根, 这本身需要取近似值. 1/3 对微积分的贡献 - 的欧拉估值 重要贡献 对于18世纪的数学家欧拉来说, 理想的计算公式是使用格雷 戈里无穷级数, 取充分接近于0的x值, 同时避免求平方根. 这 在欧拉1779年的一篇论文里有明确描述. 他的关键发现是: = 20 arctan(1/7) + 8 arctan (3/79), 欧拉利用 tantan tan(), 1tantan 得到 tantan arctan, 1tantan 令 tan= x/y, tan= z/w, 并化简得 arctanarctanarctan, xzxwyz ywyw
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- 关 键 词:
- 概率论与数理统计
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