函数概念的发展与比较.pdf
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1、函数概念的发展与比较 摘要: 函数概念是中学数学重要概念之一,从常量数学到变量数学的转变,是从函数概念的 系统学习开始的。本文从自17 世纪下半叶到现在300 年来函数概念的纵向历史研究,以及 中西方几种不同课程观下函数概念的横向比较入手,对函数概念的教学方面提出一些观点与 看法。 关键词:函数函数概念数学教学 函数概念是全部数学概念中最重要的概念之一,纵观 300 年来函数概念的发展,众多数 学家从集合、代数、直至对应、 集合的角度不断赋予函数概念以新的思想,从而推动了整个 数学的发展。 但正是由于函数概念的抽象性与层次性,学生往往不习惯用集合、对应的观点 去解释函数关系, 缺乏用函数思想分
2、析问题和解决问题的能力。本文拟通过对函数概念的发 展与比较的研究,对函数概念的教学进行一些探索。 1、函数概念的纵向发展 11 早期函数概念几何观念下的函数 十七世纪伽俐略(GGalileo,意, 1564 1642)在两门新科学一书中,几乎从头到 尾包含着函数或称为变量的关系这一概念,用文字和比例的语言表达函数的关系。1673 年 前后笛卡尔 (Descartes,法, 15961650) 在他的解析几何中,已经注意到了一个变量对于 另一个变量的依赖关系,但由于当时尚未意识到需要提炼一般的函数概念,因此直到17 世 纪后期牛顿、 莱布尼兹建立微积分的时候,数学家还没有明确函数的一般意义,绝大
3、部分函 数是被当作曲线来研究的。 12 十八世纪函数概念代数观念下的函数 1718 年约翰贝努利(BernoulliJohann,瑞, 16671748) 才在莱布尼兹函数概念的基 础上, 对函数概念进行了明确定义:由任一变量和常数的任一形式所构成的量,贝努利把变 量 x 和常量按任何方式构成的量叫“x的函数”, 表示为,其在函数概念中所说的任一形式, 包括代数式子和超越式子。 18 世纪中叶欧拉 (L Euler ,瑞, 17071783) 就给出了非常形象的,一直沿用至今的 函数符号。 欧拉给出的定义是:一个变量的函数是由这个变量和一些数即常数以任何方式组 成的解析表达式。 他把约翰贝努利
4、给出的函数定义称为解析函数,并进一步把它区分为代 数函数 (只有自变量间的代数运算)和超越函数(三角函数、对数函数以及变量的无理数幂 所表示的函数),还考虑了“随意函数”(表示任意画出曲线的函数),不难看出,欧拉给 出的函数定义比约翰贝努利的定义更普遍、更具有广泛意义。 13 十九世纪函数概念对应关系下的函数 1822 年傅里叶 (Fourier,法, 17681830) 发现某些函数可用曲线表示,也可用一个式 子表示, 或用多个式子表示,从而结束了函数概念是否以唯一一个式子表示的争论,把对函 数的认识又推进了一个新的层次。1823 年柯西 (Cauchy ,法, 17891857) 从定义变
5、量开始 给出了函数的定义,同时指出, 虽然无穷级数是规定函数的一种有效方法,但是对函数来说 不一定要有解析表达式,不过他仍然认为函数关系可以用多个解析式来表示,这是一个很大 的局限,突破这一局限的是杰出数学家狄利克雷。 1837 年狄利克雷 (Dirichlet,德,18051859) 认为怎样去建立x 与 y 之间的关系无关 紧要,他拓广了函数概念,指出:“对于在某区间上的每一个确定的x 值,y 都有一个或多 个确定的值, 那么 y 叫做 x 的函数。 ”狄利克雷的函数定义,出色地避免了以往函数定义中 所有的关于依赖关系的描述,简明精确, 以完全清晰的方式为所有数学家无条件地接受。至 此,我
6、们已可以说, 函数概念、 函数的本质定义已经形成,这就是人们常说的经典函数定义。 等到康托尔 (Cantor ,德,18451918) 创立的集合论在数学中占有重要地位之后,维布 伦(Veblen ,美,18801960) 用“集合”和“对应”的概念给出了近代函数定义,通过集合 概念,把函数的对应关系、定义域及值域进一步具体化了,且打破了“变量是数”的极限, 变量可以是数,也可以是其它对象(点、线、面、体、向量、矩阵等)。 14 现代函数概念集合论下的函数 1914 年豪斯道夫 (FHausdorff)在集合论纲要中用“序偶”来定义函数。其优点 是避开了意义不明确的“变量”、“对应”概念, 其
7、不足之处是又引入了不明确的概念“序 偶”。库拉托夫斯基(Kuratowski)于 1921 年用集合概念来定义“序偶”,即序偶(a ,b)为 集合 a ,b ,这样,就使豪斯道夫的定义很严谨了。1930 年新的现代函数定义为,若 对集合 M的任意元素x, 总有集合确定的元素y 与之对应, 则称在集合M上定义一个函数, 记为 y=f(x)。元素 x 称为自变元,元素y 称为因变元。 函数概念的定义经过三百多年的锤炼、变革,形成了函数的现代定义形式,但这并不意 味着函数概念发展的历史终结,20 世纪 40 年代,物理学研究的需要发现了一种叫做Dirac 函数, 它只在一点处不为零,而它在全直线上的
8、积分却等于1,这在原来的函数和积分 的定义下是不可思议的,但由于广义函数概念的引入,把函数、测度及以上所述的Dirac 函数等概念统一了起来。因此,随着以数学为基础的其他学科的发展,函数的概念还会 继续扩展。 2、函数概念的横向比较 函数概念, 作为世界各国学生必修的内容,各国对其分配设置、处理方式不尽相同。下 图对中国与各个西方国家的函数概念作一横向比较: 中国 初三时引入函数概念,强调学生对于函数概念的形式化定义,用“变量”来描述函数概 念。 高一时用“映射”来刻画函数概念。 法国 四五年级学生认识和使用小数集上定义的数值函数。 七年级,用图表表示情景,通过消费、发展、环境等让学生初步感受
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