級數(shù)與微積分|微積分級數(shù)
發(fā)布時間:2020-02-16 來源: 美文摘抄 點擊:
摘要:微積分的發(fā)展與無窮級數(shù)的研究密不可分,它們在方法和理論上是共同發(fā)展和成熟起來的,且在其發(fā)展過程中吸引了許多數(shù)學(xué)家對它們的研究并帶來了豐碩的成果。 關(guān)鍵詞:級數(shù);微積分;等價物;研究;發(fā)展
中圖分類號:O172 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
級數(shù)理論是數(shù)學(xué)分析的一個分支,它與微積分一起構(gòu)成數(shù)學(xué)分析的兩部分基本內(nèi)容,兩者都是以極限為基本工具,分別從連續(xù)和離散兩個方面來研究函數(shù),這在認(rèn)識自然或方法論角度都具有基本的重要意義。
從純數(shù)量上,一個無窮級數(shù)等同于一個無窮限的廣義積分。
微積分的發(fā)展與無窮級數(shù)的研究密不可分。特別是在牛頓、萊布尼茲創(chuàng)建微積分初期,很大程度上是依賴于對級數(shù)的隨意的、自由的使用,牛頓在他的流數(shù)論中自由運用無窮級數(shù),他憑借二項式定理得到了sinx,cosx,tanx,arcsinx,arctanx和ex等許多函數(shù)的級數(shù)。泰勒級數(shù)則提供了將函數(shù)展成無窮級數(shù)的一般方法。在18世紀(jì),各種初等函數(shù)的級數(shù)展開陸續(xù)得到,并在解析運算中被普遍用來代表函數(shù)而成為微積分的有力工具,級數(shù)和微積分在方法和理論上是共同發(fā)展和成熟起來的。
級數(shù)被視為無窮多項式,這新概念中的困難,很長時期沒有被認(rèn)識,歐拉•拉格朗日曾相信每個函數(shù)都顯然的可以表示為級數(shù),并從此出發(fā)建立微積分理論,盡管這沒能成功,而作為一種數(shù)學(xué)方法的成長,或作為從離散角度認(rèn)識自然的方法,卻是很重要的,積分與級數(shù)成為自然界連續(xù)和離散辨證關(guān)系的典型表現(xiàn)。
微積分創(chuàng)立的初期就為級數(shù)理論的開展提供了基本的素材。它通過自己的基本運算與級數(shù)運算的純形式的結(jié)合,達(dá)到了一批初等函數(shù)的冪級數(shù)展開。從此以后級數(shù)便作為函數(shù)的分析等價物,用以計算函數(shù)的值。用以代表函數(shù)參加運算,并以所得結(jié)果闡釋函數(shù)的性質(zhì)。在運算過程中,級數(shù)被視為多項式的直接的代數(shù)推廣,并且也就當(dāng)作通常的多項式來對待。這些基本觀點的積極運用一直持續(xù)到十九世紀(jì)初年,導(dǎo)致了豐碩的成果,這主要歸功于歐拉,詹姆士,伯努利,拉格朗日,傅立葉。
同時,悖論性等式的不時出現(xiàn)促使人們逐漸地自覺到級數(shù)的無限多項之和有別于有限項之和這一基本矛盾,注意到函數(shù)的級數(shù)展開的有效性表現(xiàn)為級數(shù)的部分和無限趨近于函數(shù)值這一收斂現(xiàn)象,提出了收斂定義的確切陳述,從而開始了數(shù)學(xué)分析的嚴(yán)密化運動。
傅立葉在1811年的論文中,以及在他的《熱的解析理論》中,首先給出了無窮級數(shù)收斂的定義。
1812年高斯在他的論文《無窮級數(shù)的一般研究》中給出了超幾何級數(shù)F(α,β,γ,x)的收斂判別準(zhǔn)則。
以后柯西在他的“分析教程”中給出了著名的柯西收斂準(zhǔn)則,并給出了比值判別法和根式判別法。
1826年阿貝爾研究了冪級數(shù)的收斂問題,給出了著名的阿貝爾定理。
微積分基本運算與級數(shù)運算結(jié)合的需要,引導(dǎo)人們加強或縮小收斂性而提出一致收斂的概念,然而函數(shù)的級數(shù)展開,作為一整個函數(shù)的分析等價物,在收斂范圍以外的不斷的成功的使用,則又迫使人們推廣或擴(kuò)大收斂概念而提出漸近性與可和性。
十九世紀(jì)初期,法國科學(xué)家傅立葉在研究熱的傳導(dǎo)中,曾經(jīng)引入一類“周期性變化的”函數(shù)f(x)表示為無窮多個三角函數(shù)sinnx或cosnx(n=1,2,3…)的和。于是找出函數(shù)具有收斂的傅立葉級數(shù)的確切條件便成為數(shù)學(xué)家的首要任務(wù)。
迪里克雷于1822-1825年之間研究了傅立葉級數(shù),并在一篇基本的論文“關(guān)于三角級數(shù)的收斂性”中給出了一個確定f(x)的傅立葉級數(shù)是收斂的并且收斂到f(x)的第一組充分條件,即迪里克雷條件。
1854年黎曼在哥廷根為取得大學(xué)教授資格寫了一篇試用短文,題目是《用三角級數(shù)來表示函數(shù)》,他的目的是找出函數(shù)f(x)必須滿足的充要條件使在區(qū)間[-π,π]中的一點處f(x)的傅立葉級數(shù)收斂到f(x)。黎曼還證明了基本定理:如果f(x)在[-π,π]上有界且可積,則傅立葉級數(shù)系數(shù)
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