年高中数学思想讲座 数学史上的几大奇观 新课标 人教.ppt

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1、数学史上的几大奇数学史上的几大奇观数学史的发展和其它学科有着许多相同的地方，即存在许多奇异的想法或追求完美的理想，其原因在于或者理论知识发展的局限性，或者社会制度、宗教等的因素。但是这些思想的出现对于推动数学的进步是积极的。2021/8/8 星期日1一、尺一、尺规作作图在中学我们就知道，几何作图严格局限于圆规和无尺度直尺。这种限制从古希腊一直延续至今。为什么？2021/8/8 星期日2古希腊认为，所有图形都是由直线和圆弧构成的，圆是最完美的图形。他们确信仅靠圆规和直尺就可以绘出图形来。他们还认为，依据少量假设，通过逻辑把握的东西最可靠。一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日3如求线段AB

2、的中点步骤为：1、以A为圆心，以一适当的长度为半径画弧；2、以B为圆心，以同样长度的半径画弧；3、两弧交于两点，作两点连线，其与AB的交点即为AB的中点。一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日4人们很快找到了正三、四、五、六边形的尺规作图的方法，然而在正七边形的尺规作图时，一直研究了2000多年！一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日517世纪，法国业余数学家费马提出了猜想：形如Fi=22i+1是素数！i=0,1,2,3,4时Fi是的确如此。而i=5时F5 是不是素数一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日6则在差不多100年后才由伟大的欧拉证明它不是素数！F F5 5=641

3、6700417.=6416700417.看来，验证一个大数是否为素数看来，验证一个大数是否为素数是一个多么困难的事啊！是一个多么困难的事啊！一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日7迄今为止，人们只知道F1,F2,F3,F4,F5是素数。人们又猜想费马素数只有有限个，但仍是一个未解问题。一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日8在欧拉之后60年，德国数学家高斯20岁时发现了正多边形的边数是费马素数时是可以用尺规作图的，并且得到一般性结论：正n边形可尺规作图的充分必要条件是：一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日9由此我们知道正7边形是不可以尺规作图的！因为7不是费马素数。一、尺一

4、、尺规作作图2021/8/8 星期日10而正17边形（属于高斯，80多页），正257边形（200多页）是可以用尺规作图的。高斯的墓碑上刻着一个正17边形。大家可以验证3，5，17，257是否为费马素数。一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日11古希腊流传下来的还有三大几何作图难题：1、化圆为方：=2、倍立方问题：=3、三等分角问题。一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日12它们的解决实际上都促进了几何与代数，也就是现在的解析几何的产生与发展。上述三个问题都是不可能的！1、化圆为方，因为是超越无理数。是不可作几何量。一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日132、倍立方问题。因为

5、 是不可作几何量。3、三等分角问题。以60度角为例，可得到代数方程一、尺一、尺规作作图2021/8/8 星期日14二、解析几何与微二、解析几何与微积分分前面已经提到，古希腊的几大几何难题都是借助于代数方法得到解决的。实际上，从公元前到公元16世纪，几何与代数各自并行发展着。表面上看，几何似乎是关于形的科学而与数无关，代数似乎是关于数的科学而与形无关。2021/8/8 星期日15二、解析几何与微二、解析几何与微积分分代数与几何难以联系的原因是：人们心目中的数是相互孤立的，难以从数想到由无穷多个点构成的线等图形。而对于形来说，例如线段或封闭图形，它们与数的联系也只限于长度与面积，难以从图形想到数的

6、能力。2021/8/8 星期日16二、解析几何与微二、解析几何与微积分分人们从“运动”的角度来联系数与形的：决定性的工具是建立了坐标系，点 数。点的运动形成了线，线的运动形成了体.。数与形的充分结合才产生了解析几何。2021/8/8 星期日17二、解析几何与微二、解析几何与微积分分解析几何的主要创始人是笛卡儿！在笛卡儿之前，就已经出现了代数与几何的结合，即解析几何的萌芽.我们来看一个例子。2021/8/8 星期日18二、解析几何与微二、解析几何与微积分分求比例中项问题。求给定长度AB与AC的比例中项。若AB=AC，那么他们本身就是比例中项，否则，可设ABAC.2021/8/8 星期日19二、解

7、析几何与微二、解析几何与微积分分将AB置于AC上,以AC为直径画圆,过B点作AC的垂线交圆于D,连接AD,AD即为所求比例中项.2021/8/8 星期日20二、解析几何与微二、解析几何与微积分分 接着,我们依次作出E、F、G、H、.使得2021/8/8 星期日21二、解析几何与微二、解析几何与微积分分因为AD=x时,AF=x3,AF=AD+DF,故当DF=a时,我们得到X3=x+a2021/8/8 星期日22二、解析几何与微二、解析几何与微积分分结论:从几何得到了一个代数方程.另一方面,若a是已知数,那么AD=x作为方程的根可以在几何上表示出来(尺规作图).2021/8/8 星期日23二、解析

8、几何与微二、解析几何与微积分分反过来,笛卡儿对几何问题应用了代数方法:研究几何轨迹问题.解析几何的精华在于把几何曲线用代数方程来表示,同时又用代数的研究方法来研究几何.这种方法显示了其强大的生命力:代数是纯演算的和2021/8/8 星期日24二、解析几何与微二、解析几何与微积分分推理的,它只需要逻辑的和技巧的,而不需要面对千变万化的几何曲线的表面现象得到其本质性的东西.即几何曲线(曲面)的分类.2021/8/8 星期日25二、解析几何与微二、解析几何与微积分分2021/8/8 星期日26二、解析几何与微二、解析几何与微积分分通过代数方法(平移和旋转)我们可以把一般方程化为标准方程.而且还有三个

9、不变量.它们是二次曲线的本质三类:椭圆、双曲线和抛物线。难以想象,没有代数的参与,在众多曲线中我们能看到这些本质性的东西.2021/8/8 星期日27二、解析几何与微二、解析几何与微积分分解析几何出现后不久，微积分也被发现了。可以说，微积分不仅是数学的伟大发现，也为近代科学开辟了光明的道路；微积分不仅是17世纪的伟大发现，而且是世界人类文明史上最为光辉灿烂的发现。2021/8/8 星期日28二、解析几何与微二、解析几何与微积分分微积分的来源是科学发展对数学要求的必然：速度、距离、重心；切线、长度、面积、体积；极值问题等等。速度微分距离积分2021/8/8 星期日29二、解析几何与微二、解析几何

10、与微积分分微积分的创立是以发现微分与积分互为逆运算为标志的，即我们所说的微积分学基本定理：2021/8/8 星期日30二、解析几何与微二、解析几何与微积分分微积分的伟大意义在于：1、微积分改变了数学的研究对象、方式和方法，带来了数学空前和持久的繁荣昌盛！显示了数学内部的辨证统一的深刻哲理。2021/8/8 星期日31二、解析几何与微二、解析几何与微积分分2、推动了自然科学、工程技术、社会科学的发展。有了微积分，它就成为了物理学的基本语言。其他如力学、天文学、化学等学科都得到了无限的推动力。近代的生物学、地理学、经济学、社会科学等都离不开数学。2021/8/8 星期日32二、解析几何与微二、解析

11、几何与微积分分3、对人类物质文明作出了巨大贡献。数学方法的应用和更新，通过其他学科对人类的进步产生了前所未有的作用：工业革命、人造卫星、新星的发现、经济规律、金融运作等等。2021/8/8 星期日33二、解析几何与微二、解析几何与微积分分4、对人类文化产生了革命性的影响。只要研究变化规律就要用到微积分，在人文、社会科学领域也是如此。哲学（马克思、恩格斯）、经济学、考古学、社会学、心理学、语言学、法学.它们直接影响着人们的世界观和文化结构。2021/8/8 星期日34三、非欧几何三、非欧几何一个遗憾的事：几乎所有的大学生不知道非欧几何，甚至数学类专业的本科生（包括部分大学数学教师）也是如此。今天

12、我们试图来弥补这个遗憾，来了解影响和改变世界的非欧几何。2021/8/8 星期日35三、非欧几何三、非欧几何欧氏几何在公元前300年就已产生，起特征是建立了公理化方法：即从几个概念和几个命题，演绎出本学科其它所有概念和命题，从而构成这一学科的全貌。运用这种方法的学科被认为是严谨的科学和成熟的科学。2021/8/8 星期日36三、非欧几何三、非欧几何欧氏几何的公理体系出现在欧几里德的集合原本中，在其之后的2200后，希尔伯特在几何基础加以完善。其间，许多数学家作了许多公理体系的完备性工作。然而，令人放心不下的是该公理体2021/8/8 星期日37三、非欧几何三、非欧几何系中的第五公理，即平行公理

13、的独立性问题。因为人们发现即使欧几里德本人也尽量避免使用它。所以人们开始从三个方面研究平行公理。1、试图给出新的平行线定义以绕开这个困难；2021/8/8 星期日38三、非欧几何三、非欧几何2、试图用比平行公理缺点更少的其他公理取代它；（等价或包含）3、试图用其他公里推出它。第三个问题得到的最多的研究，但是毫无结果。2021/8/8 星期日39三、非欧几何三、非欧几何在用反证法研究第三个问题时，试图推出矛盾，但是没有。实际上，反证法就是假设与第五公理不成立。第五公理是说：过已知直线外一点，可作一条也只可作一条直线与已知直线平行。2021/8/8 星期日40三、非欧几何三、非欧几何19世纪初，俄

14、罗斯人罗巴切夫斯基在否定第五公理的同时，假设其反面之一：“过已知直线外一点，可作多于一条的直线与已知直线平行”，得到了一系列定理，并且认为他得到了一门新的几何学。这是过去2000年以来的重大突破。2021/8/8 星期日41三、非欧几何三、非欧几何罗巴切夫斯基1826年2月11日宣布自己建立了新的几何学之后，得到了许多数学大家的嘲笑、讽刺，德国诗人歌德也出来讽刺他。实际上，罗巴切夫斯基的理论得到世界的认可是在他去世几十年后的事了.2021/8/8 星期日42三、非欧几何三、非欧几何 在罗氏几何产生后的1854年，德国数学家黎曼把欧氏第五公理改为：“过已知直线外一点，没有与其平行之直线”，得到的

15、一种新的几何学黎曼几何，为非欧几何的另一翼。2021/8/8 星期日43三、非欧几何三、非欧几何绝对几何欧氏几何罗氏几何黎曼几何联系公理迭合公理顺序公理连续公理2021/8/8 星期日44三、非欧几何三、非欧几何 非欧几何的产生具有三个重大意义:1、解决了平行公理的独立性问题。推动了一般公理体系的独立性、相容性、完备性问题的研究，促进了数学基础这一更为深刻的数学分支的形成与发展。2021/8/8 星期日45三、非欧几何三、非欧几何 2、证明了对公理方法本身的研究能推动数学的发展，理性思维和对严谨、逻辑和完美的追求，推动了科学，从而推动了社会的发展和进步。在数学内部，各分支纷纷建立了自己的公理体

16、系，包括被公认为最困难的概率论也在20世纪30年代2021/8/8 星期日46三、非欧几何三、非欧几何 建立自己的公理体系。实际上公理化的研究又孕育了元数学的产生和发展。3、非欧几何实际上预示了相对论的产生，就象微积分预示了人造卫星一样。非欧几何与相对论和汇合是2021/8/8 星期日47三、非欧几何三、非欧几何科学史上划时代的事件。人们都认为是爱因斯坦创立了相对论，但是，也许爱因斯坦更清楚，是他和一批数学家Poincare,Minkouski,Hilbert等共同的工作。出现动钟延缓，动尺缩短，时空弯曲等现象。这些都是非欧几何与相对论的科学发现。2021/8/8 星期日48三、非欧几何三、非欧几何非欧几何的模型。非欧几何的模型。复变函数理论复变函数理论。非欧直线非欧直线非欧距离、非欧角、非欧距离、非欧角、非欧圆、非欧三角非欧圆、非欧三角形形.，非欧三角，非欧三角形内角和小于形内角和小于180度；不存在非欧矩度；不存在非欧矩形。形。2021/8/8 星期日492021/8/8 星期日502021/8/8 星期日51