高等数学中的辩证思想方法.ppt
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1、第一节直与曲第一节直与曲 第二节常量与变量第二节常量与变量第三节连续与间断第三节连续与间断 第四节有限与无限第四节有限与无限 第五节抽象与具体第五节抽象与具体 第六节局部与整体第六节局部与整体 第七节偶然性与必然性第七节偶然性与必然性 高等数学中的辩证思想方法高等数学中的辩证思想方法退出第一节第一节 直与曲直与曲 直与曲是两个完全不同的数学概念.从直观形象看,前者平直后者弯曲;从几何特性来看,前者曲率为0,后者曲率不恒为0;从代数表达式来看,前者是线性方程,后者是非线性方程.因此,直与曲的差别是明显的,那么这两个差别如此显著的对立概念是否存在内在联系,能否在一定条件下互相转化呢?恩格斯曾经指出
2、,“高等数学的主要基础之一是这样一个矛盾,在一定条件下直线和曲线应当是一回事.”高等数学正是利用直与曲以及其它一些矛盾的转化达到了初等数学所不能达到的目的.返回 从高等数学的思想方法中可以看出,直与曲除了有非直即曲的一面,也存在亦直亦曲的一面.存在直与曲之间的中介状态,通过这个中介状态实现直与曲的转化.比如,曲线的渐近线是指,在曲线无限延伸时与一条定直线“无限接近,但永不相交”,其数学表达式如下确定:设曲线为yf(x),其渐近线为y=k xb,则 问:对于任意大的正数X,曲线y=f(x)上 当X 时的那一部分是曲线还是直线?返回 答案当然应该是曲线,因为这部分是整个曲线yf(x)的一部分,这部
3、分上每一点的曲率都不为0.但它又很象直线,而且延伸越远就越象直线,虽然每点曲率均不为0,但在延伸过程中,曲率无限趋近于0.因此,在无限延伸部分就很难分出它是直线还是曲线,可以说它是“亦直亦曲”,是直线与曲线之间的一种中间状态.既是带有直线性质的曲线,也是具有“曲”性的“直线”,是直与曲对立的“中介”,它处于“亦直亦曲”的状态.返回 在高等数学中,利用直与曲的这种中介状态,实现局部范围内的“以直代曲”,是高等数学中的一种基本的辩证思想方法.例1求曲边梯形的面积.第一步:化整为零.首先,把曲边梯形的底边任意分成n段,然后以每一小段为底边,用平行于y轴的直线把曲边梯形分割成n个小的曲边梯形.第二步:
4、以直代曲.在每个小曲边梯形中把曲边看成直边,于是就可以用这些小“直边矩形”的面积近似地代小曲边梯形的面积.这样在分割的条件下实现了局部的“以直代曲”.返回第四步:取极限.通过取极限,再把分割无限加细,近似程度会越来越高,从而使小直边矩形面积的和转化为原来曲边梯形的面积.这样一来,局部的“直”经过无限积累又反过来转化为整体的“曲”,最后得出了曲边梯形的面积.这就是定积分定义中分割、求和、取极限的辩证思维过程.第三步:积零为整.把n个小“直边矩形”的面积累加起来,用这n个小直边矩形的面积之和在整体上近似地代替原曲边梯形的面积.这种代替当然是有误差的,为了消除这种误差,还需进行第四步.返回例2 已知
5、物体在区间a,b上任意一点x处的平行截面积为A(x),求物体的体积V.微元法:在任意一点x处作x的微元dx,过x与x+dx作垂直于x轴的平面,截得物体的面积分别为A(x)与A(x+dx).一般地说,A(x)与A(x+dx)是不相等的,从物体中截得的部分是以A(x)与A(x+dx)为上、下底的曲柱体.但由于dx很小,因此可以“以直代曲”.将截得的曲柱体近似的看作以A(x)为底,以dx为高的直柱体,于是得体积微元A(x)dx(图5-4).然后将体积微元在a,b上累积起来,就得到物体的体积V.返回 例3 已测得某水库深水体积V(万方)和水深H(米)之间的对应数值表 H(米)0510152025303
6、5V(万方)01545119205315460610利用描点法描出的曲线近似抛面线 返回假设 V=aH2,作变换 H2=h,V=v,曲线方程 V=aH2 转化为直线方程 v=ah,得对应的数值表h=H20251002254006259001225v01545119205310460610在hv直角坐标系中描点,用直线型经验公式可确定出 v=0.504h.然后再代回曲线方程,得 V=0.504H2.返回必须指出:“直曲转化”是有条件的,并非任何情况下都可“以直代曲”.如,求半径为r的半圆周长.如果我们不是用弦来代替圆弧,而是用平行于直径的线段来代替圆弧,则结果求得半圆周长为2r;返回 如果我们用
7、平行于直径的线段与垂直,于直径的线段构成的折线段来代替圆弧,则结果求得半圆周长为4r.这些显然都是错误结论.错误的根本原因在于“以直代曲”过程中,并不是用等价无穷小去代替.因此,在将直曲转化的辩证思想运用到具体问题中时,必须注意可转化的条件.第二节第二节 常量与变量常量与变量一、常量在一定条件下具有任意性一、常量在一定条件下具有任意性 比如,数列极限定义中的 又如,不定积分中的积分常数C 二、常量与变量的相对性二、常量与变量的相对性 高等数学被称为变量数学,这是相对于初等数学而言的.其实在高等数学中,常量与变量既有着严格的区分,又相互依存,相互渗透,在一定条件下相互转化.返回 如,在函数概念中
8、,常量与变量是对于某一过程而言的.例如,某架飞机从甲地飞往乙地,在飞行过程中,我们说飞机离开甲地的距离;飞机上汽油的储存量;飞机离地面的高度等都是变量.而飞机上乘客的人数;飞机上行李的重量等都是常量.但是,飞机上行李的重量是否一定是常量呢?因为飞机离地面的高度在变化,飞机上行李的重量也在变化,只不过这个变化较之于飞机离开甲地的距离,飞机上汽油的储存量它变化很小,几乎没有变化,因此可以看作常量.再如,在多元函数微积分中,为了研究某一个变量的性态,往往把其余变量看作常量.返回z对自变量x的偏导数求二元函数同样,二重积分 的计算 三、三、通过常量来刻划变量通过常量来刻划变量 高等数学中变量的运动与变
9、化,往往是通过相对静止的常量来刻划的.在解析几何中,根据二次曲线方程的系数,来判别二次曲线的类型.设二次曲线方程为 A1x2+2B1xy+Cy2+2Dx+2Ey+F1=0,(*)返回 在直角坐标系中进行平移或旋转变换,在新坐标系中曲线方程(*)化为 A2u2+2B2uv+C2v2+2D2u+2E2v+F2=0.(*)方程(*)化为方程(*)的变换过程中,方程各项的系数一般会发生变化,但有一些量是固定不变的.I1=A1+C1=A2+C2;I2=;I3=返回返回 在常微分方程中,常数变易法,是用常量来刻划变量的典型思想方法.比如,求一阶线性方程 (*)的通解.容易求得通解为然后把齐次方程通解中的常
10、数C看成变量,设非齐次方程的通解为算出导数首先求一阶线性齐次方程 的通解.返回代入原方程(*),可求得 C(x)=,于是一阶线性方程(*)的通解为 ).四、通过变量来研究常量四、通过变量来研究常量 在高等数学中,有时需要通过变量来研究常量.也就是把常量看成变量的暂住状态或特定值,以及变量在变化过程中的稳定趋势.如,利用导数求函数的极值和拐点,就是利用变量来研究常量的.返回又如,求参变量函数 在y=时的函数值 .是常量,当然我们希望将 代入含参积分中来计算,这样就很容易求得但这必须要证明函数在 处连续.返回 为了讨论函数在定点x=的连续性,需要转化为讨论函数在包含 的区间a,b上的连续性.通过证
11、明含参积分 在a,b上一致收敛 从而证明函数 在a,b上连续,进而得出函数 在点x=处连续.于是前面的计算是可行的 在微积分基本公式 =F(b)F(a)左边是一个完全确定的常量.但为了研究这个常量,在证明过程中,先用变量x代替常数b.返回从而把面积S变量化,得到一个关于x的函数 S(x)=然后证明S(x)是f(x)在a,b上的一个原函数,而F(x)也是f(x)的一个原函数,于是有 F(x)=S(x)+C=+C,再将a,b代入上式,确定出任意常数C的值,就得到 微积分基本公式 =F(b)F(a)返回第三节第三节 连续与间断连续与间断 一、连续与间断是事物两种不同的性态一、连续与间断是事物两种不同
12、的性态 在高等数学中,连续与间断带来函数性质的显著差异.比如,闭区间a,b上的连续函数,一定存在最大值与最小值,并且可取得介于最小值与最大值之间的一切值.只有函数f(x)在a,b上连续,且f(a)f(b)N时,从第N+1项起,以后的一切项a n都落在长度为2的邻域内,这也是实无限的观点.可以说,把微积分建立在极限基础之上,就是运用实无限观点的成果.一、有限与无限存在质的差异一、有限与无限存在质的差异 从有限发展到无限,是认识上的一次重大飞跃.有限与无限之间存在着质的差异,这种差异在高等数学中,首先表现在式的运算方面.返回 又如,有限个连续函数的积是连续的,但无限个连续函数的积却不一定连续;有限
13、个可微分函数的和可微,有限个可积函数的和可积,如果把“有限”改为“无限”,则结论都不成立.在运算法则上,有限满足结合律、交换律与分配律,无限的情况则不能随意运用这些定律,否则将导致谬误的结论.例如11+11+11+=(11)+(11)+(11)+=0;又有11+11+11+=1(11)(1-1)=1,这显然是荒谬的.对于区间或区域而言,函数在有限区间(或区域)的性质,不能不加限制地推广到无限区间(或区域)上去.比如,连续函数在任何有限闭区间上都可积,但不能断言该函数在无限区间上可积;返回 函数f(x)在()内的任何有限闭区间上一致连续,但f(x)在()内可能不一致连续;函数级数 在有限区间上收
14、敛,但在无限区间上可能不收敛.在数量关系上,一个有限集合与它的真子集之间不能建立一一对应关系,但一个无限集合就可以和它的真子集建立一一对应的关系.比如,N为自然数集,G为正偶数集,则N与G可以一一对应.一个无限区间可以和一个有限区间建立起一一对应关系.如无限区间()与有限区间 可以通过函数关系y=arctgx 建立一一对应.返回 同样,如图ABD与ACD面积不等,但它们中的与AD平行的线段等长,且“条数”是一样多.返回二、通过有限认识无限二、通过有限认识无限 在高等数学中,为了达到认识不确定的、无限的情形,常常是从确定的、有限的情形出发的.在数列极限概念中,无穷数列a n是不能全部写出来的,为
15、了考察其无限变化的趋势,我们研究有限的a n与有限的a之间的距离a na,如果距离能任意小,我们就可以间接地知道a n无限变化的结果就是a.因此极限是利用有限来认识无限的一种数学方法,同时也说明极限是有限与无限的对立统一.数学归纳法的实质,是人们用有限认识无限的一种方法.凡涉及对任意自然数n都成立的命题P(1),P(2),P(3),P(n),这是无限的命题列,要一个一个地去验证永远也证不完.人们是如何通过有限来把握无限,实现对这无穷多个命题的证明的呢?返回(1)从有限入手,首先验证P(1),P(2),为真;(2)假设nk时 P(k)真,然后证明n=k+1时 P(k+l)真.这样,从 P(k)到
16、 P(k+1)的转化,论证了这无限多个命题的正确性.无穷级数 a1+a2 +a3 +a4 +an +的求和,也是人们通过有限认识无限的例子.为了计算无穷级数的和,先计算有限项的和 Sn=a1+a2+a3 +a4 +an.若极限 s 是一个有限数,则称s 为无穷级数的和.返回 三、三、通过无限来表示有限通过无限来表示有限 我们一方面通过有限来认识无限.另一方面,我们又通过无限来表示有限,从而实现有限与无限的相互转化.如,函数f(x)在点a的泰勒展开式 左边是有限形式,右边是无限形式;左边是整体未知,右边是每项已知.又如 返回第五节第五节 抽象与具体抽象与具体 一、高度抽象是数学的主要特征一、高度
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