微積分

從牛頓的時代背景探索第二運動定律(下)

從牛頓的時代背景探索第二運動定律(下)
行政院科技部科技顧問/瑞典林雪平大學榮譽教授 趙光安

連結:從牛頓的時代背景探索第二運動定律(上)

牛頓給力一個定義:第二運動定律

在伽利略和牛頓的時代,數學工具只有幾何、三角、和代數,物理知識也僅限日常生活中有系統的觀察,及少數的實驗結果。用現代的標準來衡量,伽利略和牛頓頂多只有國中畢業的程度。如果我們用現代的數理常識背景來解答三、四百年前的問題,那就是「事後有先見之明」了。雖然和「力學」有關的量測,伽利略得到的數據被推崇是權威性,然而他的「力學」實驗幾乎全部是基於物體的直線運動。在這個時代背景下,牛頓建立的理論,是從「一維系統」開始,然後才推廣到「三維空間」。因此,我們也從直線運動開始,試試看能否經歷一趟牛頓的思路。

改變歷史進程的17個方程式

改變歷史進程的17個方程式
臺北市立第一女子高級中學蘇俊鴻老師編譯/國立臺灣大學物理系王名儒教授責任編輯

編譯來源:The 17 Equations That Changed The Course Of History

數學圍繞在我們四周,它在許多方面型塑(shaped)我們對這個世界的理解。

2013年,身為數學家,也是科普作者的伊恩.史都華(Ian Stewart)出版了《改變世界的17個方程式》(The 17 Equations that Changed the World)一書。近來,我們在Dr. Paul Coxon的Twitter (由數學輔導老師,也是部落客的Larry Phillips所註冊)上發現這個他摘錄書中方程式所成的簡便表格:

由問題的起源看導數的定義II

由問題的起源看導數的定義II
臺北市立西松高中 蘇惠玉教師

連結:由問題的起源看導數的定義I

在前一篇文章中,我們已經看過費馬求極值的方法了,也就是當 \(e\) 是個很微小的量時(亦即趨近於 \(0\)),讓 \(\frac{f(a+e)-f(a)}{e}\) 這個值「盡可能的逼近」\(0\)。

接下來我們來看看牛頓求切線的方法。

牛頓求切線的方法

下面的方法出現在牛頓的《曲線求積術》,撰寫於 1693 年,並於 1704 年作為《光學》一書的附錄正式發表。牛頓以求切線的策略與方法,說明他的「流數方法(即求導數的方法)」,並舉函數為 \(y=x^n\) 為例,實際演練操作他的方法。

由問題的起源看導數的定義I

由問題的起源看導數的定義I
臺北市立西松高中 蘇惠玉教師

前言

在高中的微積分教學脈絡中,一定先教授極限的觀念與函數的極限,然後在進入微分單元時,直接定義何謂導數,即多項式函數 \(f(x)\) 在點 \((a,f(a))\) 的導數為 \(f'(a)=\lim_{x\rightarrow a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\),然後再說明導數的意義以及應用。

然而為何導數要這樣定義?我們在定義一個數學物件之前,通常是問題導向的,有需要,才有發明。那麼導數或是微積分來自於什麼需求?為何會導致這樣的定義形式?在這一系列的文章中,筆者試圖透過這一段數學史的發展,從問題的源頭說起,經由費馬求極值與牛頓求切線的方法,並利用問題來學習與思考,最後理解何以會以 \(f'(a)=\lim_{x\rightarrow a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\) 這種形式來定義導數的必然性。