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函數(shù)

 jfsrvg 2015-08-06

笛卡兒引入變量后,隨之而來的便是函數(shù)的概念.他指出y和是變量(“未知量和未定的量”)的時候,也注意到y(tǒng)依賴于而變.這正是函數(shù)思想的萌芽.但是他沒有使用“函數(shù)”這個詞。函數(shù)這個數(shù)學名詞是萊布尼茲在1694年開始使用的,以描述曲線的一個相關量,如曲線的斜率或者曲線上的某一點。萊布尼茲所指的函數(shù)現(xiàn)在被稱作可導函數(shù),數(shù)學家之外的普通人一般接觸到的函數(shù)即屬此類。對于可導函數(shù)可以討論它的極限和導數(shù)。此兩者描述了函數(shù)輸出值的變化同輸入值變化的關系,是微積分學的基礎。

函數(shù)概念是全部數(shù)學概念中最重要的概念之一,縱觀300年來函數(shù)概念的發(fā)展,眾多數(shù)學家從集合、代數(shù)、直至對應、集合的角度不斷賦予函數(shù)概念以新的思想,從而推動了整個數(shù)學的發(fā)展。本文擬通過對函數(shù)概念的發(fā)展與比較的研究,對函數(shù)概念的教學進行一些探索。 

幾何觀念下的函數(shù)

十七世紀伽俐略(G.Galileo,意,1564-1642)在《兩門新科學》一書中,幾乎從頭到尾包含著函數(shù)或稱為變量的關系這一概念,用文字和比例的語言表達函數(shù)的關系。1637年前后笛卡爾(Descartes,法,1596-1650)在他的解析幾何中,已經(jīng)注意到了一個變量對于另一個變量的依賴關系,但由于當時尚未意識到需要提煉一般的函數(shù)概念,因此直到17世紀后期牛頓、萊布尼茲建立微積分的時候,數(shù)學家還沒有明確函數(shù)的一般意義,絕大部分函數(shù)是被當作曲線來研究的。 

1673年,萊布尼茲首次使用“function”(函數(shù))表示“冪”,后來他用該詞表示曲線上點的橫坐標、縱坐標、切線長等曲線上點的有關幾何量。與此同時,牛頓在微積分的討論中,使用 “流量”來表示變量間的關系。

代數(shù)觀念下的函數(shù)

1718年約翰·貝努利(BernoulliJohann,瑞,1667-1748)才在萊布尼茲函數(shù)概念的基礎上,對函數(shù)概念進行了明確定義:由任一變量和常數(shù)的任一形式所構成的量。貝努利把變量x和常量按任何方式構成的量叫“x的函數(shù)”,表示為,其在函數(shù)概念中所說的任一形式,包括代數(shù)式子和超越式子。 

18世紀中葉歐拉(L.Euler,瑞,1707-1783)就給出了非常形象的,一直沿用至今的函數(shù)符號。歐拉給出的定義是:一個變量的函數(shù)是由這個變量和一些數(shù)即常數(shù)以任何方式組成的解析表達式。他把約翰·貝努利給出的函數(shù)定義稱為解析函數(shù),并進一步把它區(qū)分為代數(shù)函數(shù)(只有自變量間的代數(shù)運算)和超越函數(shù)(三角函數(shù)、對數(shù)函數(shù)以及變量的無理數(shù)冪所表示的函數(shù)),還考慮了“隨意函數(shù)”(表示任意畫出曲線的函數(shù)),不難看出,歐拉給出的函數(shù)定義比約翰·貝努利的定義更普遍、更具有廣泛意義。 

對應關系下的函數(shù)

1822年傅里葉(Fourier,法,1768-1830)發(fā)現(xiàn)某些函數(shù)可用曲線表示,也可用一個式子表示,或用多個式子表示,從而結束了函數(shù)概念是否以唯一一個式子表示的爭論,把對函數(shù)的認識又推進了一個新的層次。1823年柯西(Cauchy,法,1789-1857)從定義變量開始給出了函數(shù)的定義,同時指出,雖然無窮級數(shù)是規(guī)定函數(shù)的一種有效方法,但是對函數(shù)來說不一定要有解析表達式,不過他仍然認為函數(shù)關系可以用多個解析式來表示,這是一個很大的局限,突破這一局限的是杰出數(shù)學家狄利克雷。 

1837年狄利克雷(Dirichlet,德,1805-1859)認為怎樣去建立x與y之間的關系無關緊要,他拓廣了函數(shù)概念,指出:“對于在某區(qū)間上的每一個確定的x值,y都有一個或多個確定的值,那么y叫做x的函數(shù)。”狄利克雷的函數(shù)定義,出色地避免了以往函數(shù)定義中所有的關于依賴關系的描述,簡明精確,以完全清晰的方式為所有數(shù)學家無條件地接受。至此,我們已可以說,函數(shù)概念、函數(shù)的本質(zhì)定義已經(jīng)形成,這就是人們常說的經(jīng)典函數(shù)定義。 

等到康托爾(Cantor,德,1845-1918)創(chuàng)立的集合論在數(shù)學中占有重要地位之后,維布倫(Veblen,美,1880-1960)用“集合”和“對應”的概念給出了近代函數(shù)定義,通過集合概念,把函數(shù)的對應關系、定義域及值域進一步具體化了,且打破了“變量是數(shù)”的極限,變量可以是數(shù),也可以是其它對象(點、線、面、體、向量、矩陣等)。 

集合論下的函數(shù)

1914年豪斯道夫(F.Hausdorff)在《集合論綱要》中用“序偶”來定義函數(shù)。其優(yōu)點是避開了意義不明確的“變量”、“對應”概念,其不足之處是又引入了不明確的概念“序偶”。庫拉托夫斯基(Kuratowski)于1921年用集合概念來定義“序偶”,即序偶(a,b)為集合{{a},},這樣,就使豪斯道夫的定義很嚴謹了。1930年新的現(xiàn)代函數(shù)定義為,若對集合M的任意元素x,總有集合N確定的元素y與之對應,則稱在集合M上定義一個函數(shù),記為y=f(x)。元素x稱為自變元,元素y稱為因變元。 

函數(shù)概念的定義經(jīng)過三百多年的錘煉、變革,形成了函數(shù)的現(xiàn)代定義形式,但這并不意味著函數(shù)概念發(fā)展的歷史終結,20世紀40年代,物理學研究的需要發(fā)現(xiàn)了一種叫做Dirac-δ函數(shù),它只在一點處不為零,而它在全直線上的積分卻等于1,這在原來的函數(shù)和積分的定義下是不可思議的,但由于廣義函數(shù)概念的引入,把函數(shù)、測度及以上所述的Dirac-δ函數(shù)等概念統(tǒng)一了起來。因此,隨著以數(shù)學為基礎的其他學科的發(fā)展,函數(shù)的概念還會繼續(xù)擴展。 

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