高中选修：数学史选讲.ppt

1、新课程高中数学选修课：数学史选讲,数学史专题教学设计,数学史专题教学设计过程,数学史专题教学设计,可接受性：数学史专题的内容应符合学生的认知水平； 实用性：数学史专题的教学应与必修课相结合，或为必修课服务，或为必修课内容之拓展和深入； 科学性：数学史专题的教学内容应符合史实，教学设计应符合课程标准及有关教学理论； 可操作性：数学史专题的内容应为教师所易于接受，教学设计应为教师所易于操作。,案例1 从多边形数到棱锥数,形数（figured numbers）理论可以上溯到毕达哥拉斯（Pythagoras, 569 B.C.500 B. C.）本人。用一点（或一个小石子）代表1，两点（或两个小石子）

2、代表2，三点（或三个小石子）代表3，等等，毕达哥拉斯学派在世界数学史上首次建立了数和形之间的联系。早期毕达哥拉斯学派似乎已经熟悉利用小石子或点来构造三角形数和正方形数；晚期的毕达哥拉斯学派成员尼可麦丘（Nicomachus, 60?120?）以及稍后的泰恩（Theon, 约2世纪上半叶）则讨论了各种平面数（包括三角形数、正方形数、长方形数、五边形数、六边形数等等）和立体数（包括立方数、棱锥数等等）。,案例1 从多边形数到棱锥数,问题1（“归纳猜想论证”第1课时 ） 依次计算数列1，1 + 2 + 1，1 + 2 + 3 + 2 + 1，1 + 2 + 3 + 4 + 3 + 2 + 1，的前四

3、项值，由此猜测 的结果，并加以证明。,案例1 从多边形数到棱锥数,正方形数,案例1 从多边形数到棱锥数,古希腊数学家Iamblichus（公元4世纪）在研究Nicomachus算术引论一书时发现 = n2 Iamblichus或许正是从正方形数的构造中发现上述结论的。,案例1 从多边形数到棱锥数,问题2（2006广东数学高考题） 在德国不莱梅举行的第48届世乒赛期间，某商场橱窗里用同样的乒乓球成若干堆“正三棱锥”形的展品，其中第一堆只有一层，就一个球，第2、3、4 堆最底层（第一层）分别按图所示方式固定摆放，从第二层开始，每层的小球自然垒放在下一层之上，第 n 堆第 n 层就放一个乒乓球，以

4、f(n) 表示第 n堆的乒乓球总数，则 f (3) =_， f (n) =_。,案例1 从多边形数到棱锥数,后期毕达哥拉斯学派数学家尼可麦丘在算术引论中将多边形数推广到立体数。前四个三棱锥数为 1 1+3 1+3+6 1+3+6+10,案例1 从多边形数到棱锥数,第n个三棱锥数为,（Nicomachus, 1世纪）,案例1 从多边形数到棱锥数,前四个四棱锥数为 1 1+4 1+4+9 1+4+9=16 第n个四棱锥数为,案例 2 等比数列求和公式,莱因得纸草书（约公元前1650年）,案例 2 等比数列求和公式,莱因得纸草上的等比数列问题,案例 2 等比数列求和公式,案例 2 等比数列求和公式,

5、欧几里得几何原本（公元前3世纪） 第 9 卷命题 35,案例 2 等比数列求和公式,案例 3 二次幂和公式,巴比论：泥版数学文献 (约公元前3000年) 但我们无法判断古代巴比伦人是否知道一 般公式。,案例 3 二次幂和公式,阿基米德（Archimedes, 前287-212） 论劈锥曲面体与球体命题2引理； 论螺线命题10,案例 3 二次幂和公式,阿基米德,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,阿基米德杠杆原理的启示

6、物理视角下的二次幂和 Fehr（1963）： “伏尔泰曾说过：如果没有上帝，那就有必要创造一个出来。同样，我们也可以断言：在数学学习中，如果没有该学科的物理应用，那就有必要创造出一些来！”,案例 3 二次幂和公式,阿基米德原理（尼加拉瓜，1971）,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,阿尔海赛姆 （Al-Haitham, 9651039）： 10-11世纪波斯 数学家,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,吉尔森（R. Levi Ben Gershon, 1288-1344）计算者之书(Maaseh Hoshev),案例 3 二次幂和公式,边长分别

7、为 1、2、3、 n 的 n 个正方形面积之和即为二次幂和,案例 3 二次幂和公式,吉尔森公式的几何图示：扩缩法,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,帕斯卡（B. Pascal, 1623-1662）,案例 3 二次幂和公式,分别令 r =1，2，n，将个等式相加即得,案例 3 二次幂和公式,三角形法,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,案例 3 二次幂和公式,体积法,案例 3 二次幂和公式,案例 4 球体积公式,阿基米德,案例 4 球体积公式,案例 4 球体积公式,AH : AT = 圆柱截面:（圆锥截面球截面） (圆锥截面球截面) = 圆柱截

8、面 (圆锥AEF球) = 圆柱EG，,案例 4 球体积公式,球 = 4 圆锥ABD,案例 4 球体积公式,案例 4 球体积公式,球外切圆柱之表面积,案例 4 球体积公式,案例 4 球体积公式,刘徽（3世纪）与祖暅（5世纪）,牟合方 盖,案例 4 球体积公式,中国传统数学的代表人物魏晋时期数学家刘徽,案例 4 球体积公式,利用3DSMAX软件制作的牟合方盖,案例 4 球体积公式,八分之一合盖的截面,案例 4 球体积公式,内棋（八分之一合盖）,案例 4 球体积公式,外棋（“立方之内、合盖之外”部分）,案例 4 球体积公式,倒立的阳马,案例 4 球体积公式,开普勒（J. Kepler，1571163

9、0） 测量酒桶体积的新科学（1615） 将球体积看成是无穷多个小棱锥的体积之和，这些棱锥的顶点在球心，底在球面上，于是由棱锥体积公式可得球积公式,案例 4 球体积公式,开普勒,案例 4 球体积公式,卡瓦列利（B. Cavalieri，15981647）连续体不可分 量的几何学 （ 1629）,案例 4 球体积公式,圆柱截面圆锥截面半球截面,圆柱体积圆锥体积半球体积,案例 4 球体积公式,松永良弼（16901744）：算法集成,案例 4 球体积公式,案例5 割补法与出入相补原理,问题1 如图，正三角形ABC 的边长 为2，AA1，BB1，CC1均垂直 于平面ABC， ， ， ，求几何体的体积。,

10、案例5 割补法与出入相补原理,问题2 如图，已知多面体ABC-DEFG 中，AB、AC、AD 两两垂直， 平面ABC/平面DEFG，平面 BEF/平面ADGC，AB = AD = DG=2，AC=EF=1，求该多面 体的体积。,案例5 割补法与出入相补原理,案例5 割补法与出入相补原理,案例5 割补法与出入相补原理,案例5 割补法与出入相补原理,案例5 割补法与出入相补原理,案例5 割补法与出入相补原理,刘徽原理,案例5 割补法与出入相补原理,案例5 割补法与出入相补原理,案例6 费马与笛卡儿研究的轨迹问题,问题 1（费马平面与立体轨迹引论 ） 动点 P 到两定点 M 和 N 距离的平方和与三

11、角形PMN的面积之比等于给定比，求点 P 的轨迹。 如图3，设 P为满足已知条件的任一点，PZ为MN的垂线，Z为垂足。MN = a，MZ = x，ZP = y，则由已知条件得，其中k为常数。即,案例6 费马与笛卡儿研究的轨迹问题,即 。其中k为常数。这就是Z沿 MN 运动时，变线段ZP的另一端点 P 所画出的曲线 的方程。 那么，这是什么曲线呢？,案例6 费马与笛卡儿研究的轨迹问题,取 MN 的中点 A，过 A 作 MN 的垂线段AB，使得 4AB/a = k。 以 AB 为直径作半圆 ACB，在 其上取点 C，使得 AC = AN。 以B为圆心、BC 为半径作圆， 在该圆上任取一点 P，则

12、PM 和 PN 的平方和与三 角形 PMN 面积之比等于给定比。,案例6 费马与笛卡儿研究的轨迹问题,这里，费马给出了方程 所确 定的轨迹的作图法，该轨迹是一个圆。费马的方法 相当于将方程化成,案例6 费马与笛卡儿研究的轨迹问题,问题 2（帕普斯三线问题之特殊情形 ） 设给定3条直线AB、AD、EF，其中直线AB与EF互相平行 ，AD垂直于AB，动点C到3条已知直线的距离CB、CD、CF满足 ，求C点轨迹。,案例6 费马与笛卡儿研究的轨迹问题,案例6 费马与笛卡儿研究的轨迹问题,问题3 （帕普斯四线问题之特殊情形） 设给定4条直线，其中AB和EF平行，AD和GH平行，且AB与AD垂直，动点C且

13、到它们的距离为CB、CD、CF和CH，满足CBCF=CDCH，求C点轨迹。,案例6 费马与笛卡儿研究的轨迹问题,案例 7 历史上的函数概念,函数概念应该成为中学数学的基石 F. Klein（1849-1925） 从伽利略到狄利克雷，数学家一直绞尽脑汁去理解函数的概念，但现在却由定义域、值域和序偶（第一个数相同时第二个数也必须相同）来玩弄把戏。 M. Kline（1958）,案例 7 历史上的函数概念,20世纪50和60年代函数的形式化定义是一个大错误，我们可以将函数说成是法则、机器，但决不能把它说成是序偶的集合！ Thorpe 中学阶段应该教简单易懂的函数概念。 M. A. Malik（198

14、0）,案例 7 历史上的函数概念,较之函数的现代定义，职前教师对函数的理解要狭隘得多、原始得多。既然如此，我们还能期望他们按照现代课本上出现的函数的现代定义来教吗？参与者对函数的不完善的理解是有问题的，这又会导致他们学生的函数定义与表象之间的不一致性，使学生的函数概念表象与18世纪的表象相类似 R. Even,案例 7 历史上的函数概念,约翰伯努利（1718）： 一个变量的函数是由该变量 和一些常数以任何方式组成 的量。,Johann Bernoulli, 1667-1748,案例 7 历史上的函数概念,欧拉（1748）： 一个变量的函数是由该变量 和一些数或常量以任何方式 组成的解析式。,L

15、eonhard Euler, 1707 - 1783,案例 7 历史上的函数概念,欧拉（1755）： 如果某些量依赖于另一些量， 当后面这些量变化时，前面 这些变量也随之变化，则前 面的量称为后面的量的函数。,Leonhard Euler, 1707 - 1783,案例 7 历史上的函数概念,孔多塞： 设有若干量x，y，z， F，对于x，y，z，的每 一个确定的值，F 有一个 或多个确定的值与之对应， 则称F为x，y，z，的一 个函数。,A. N. C. Condorcet, 1743-1794,案例 7 历史上的函数概念,拉克洛瓦（S. F. Lacroix, 1765-1843）（1797

16、）： 任何一个量，如果它的值依赖于一个或多个其他的量，那么它就称为这些量的函数，不管我们知不知道这种依赖关系是通过什么运算实现的。,案例 7 历史上的函数概念,拉格朗日（ 1797）： 所谓一个或几个量的函数， 是指任意一个用于运算的 表达式，这些量以任意方 式出现于表达式中，表达 式中可以有（也可以没有） 其它一些具有给定的不变 值的量，而函数的量可以 取所有可能的值。,J. L. Lagrange, 1736-1813,案例 7 历史上的函数概念,傅立叶（ 1822）： 函数f ( x)代表一系列的值或纵 坐标，它们中的每一个都是任 意的。对于无限多个给定的横 坐标 x 的值，有同样多个纵

17、坐 标 f ( x) 的值。所有的值要么为 正数，要么为负数，要么是零。 无需假设这些纵坐标满足同一 个法则；它们可以任何方式接 续，每一个都好象是单个的量。,J. Fourier, 1768 - 1830,案例 7 历史上的函数概念,柯西分析教程 （1821）： 当变量之间这样联系起来，即 给定了这些变量中的一个值， 就可以决定所有其它变量的值 的时候，人们通常想像这些量 是用其中的一个来表达的，这 时这个量就被称为自变量；而 用自变量表示的其它量就叫做 该变量的函数。,A. L. Cauchy, 1789 - 1857,案例 7 历史上的函数概念,罗巴切夫斯基（1834）： x 的函数是这

18、样的一个数，它 对于每个 x 都有确定的值，并 且随着 x 的变化而逐渐变化， 函数值或者由解析式给出，或 者由一个条件给出，这个条件 提供了一种检验所有的数并选 择其中之一的方法，或者虽然 依赖关系存在但可以是未知的。,Lobachevsky, 1792-1856,案例 7 历史上的函数概念,狄里克雷（1837） 设a、b是两个确定的值，x 是 可取a、b之间一切值的变量。 如果对于每一个 x，有惟一有 限的 y 值与它对应，使得当 x 从 a 到 b 连续变化时，也逐渐 变化，那么 y 就称为该区间上 x 的一个连续函数。在整个区 间上，y 无需按照同一种规律 依赖于 x，也无需单单考虑能

19、 用数学运算来表示的关系。,L. Dirichlet,1805 - 1859,案例 7 历史上的函数概念,斯托克斯（1847） 函数是这样一个量，它的值以 任意方式依赖于构成它的一个 或几个变量的值。因此，函数 不必通过任何代数符号的组合 来表达，甚至在变量的很近的 界限之间也是如此。,G. G. Stokes, 1819-1903,案例 7 历史上的函数概念,黎曼（1851）： 假定z是一个变量，它可以逐 次取所有可能的实数值。若 对它的每一个值，都有不定 量 w 的惟一的值与之相对应， 则称 w 为 z 的函数。,B. Riemann, 1826-1866,案例 7 历史上的函数概念,布尔

20、 (1854)： 任何包含符号 x 的代数 式称为 x 的函数，并用 一般的简记符号f ( x)来 表示。,G. Boole, 1815-1864,案例 7 历史上的函数概念,汉克尔（1870）： x 的一个函数被称为f(x)，如 果对于某区间内 x 的每一个 值， f(x) 都有的惟一确定的 值与之相关联。此外， f(x) 是通过量的解析运算还是通 过别的方式确定，根本无关 紧要。 f(x) 的值只须处处惟 一确定。,H. Hankel, 1839-1873,案例 7 历史上的函数概念,戴德金 (1887)： 函数就是系统S的一个映射， 对于S中每一个确定的元素s， 按照法则，都有一个确定的

21、 对象与之相关联，这个对象 称为s的象，以(s)将表示； 也可以说，(s)是由s通过 映射产生的，即s通过映射 变换成(s)。,R. Dedekind, 1831-1916,案例 7 历史上的函数概念,坦纳里(1904）： 考虑不同数的集合(X)，将这些数看成是 x的取值，于是x就是一个变量。假设x的 每一个值，即集合(X)的每一个元素，对 应于一个数，这个数可以看成是字母y的 取值；我们说y是由该集合(X)所确定的x 的函数：如果定义了对应关系，就定义了 该集合上的一个函数。y所取的不同值的 集合(Y)是由同一个对应关系确定的：我 们说b是(Y)的一个元素，即(X)的一个元 素a与数b对应。

22、(X)的每一个元素对应于 (Y)的一个元素；反之亦然；但在前面的 定义中，并没有排除(X)的几个不同元素 对应于(Y)的同一个元素，换言之，(X)和 Y)之间的对应不一定是完全的。,J.Tannery,1848 - 1910,案例 7 历史上的函数概念,维布伦： 若在变量y 的集合与另一个变 量 x的集合之间有这样的关系 成立，即对 x的每一个值，有 完全确定的 y值与之对应，则 称变量 y 是变量 x 的函数。,O. Veblen, 1880 - 1960,案例 7 历史上的函数概念,皮亚诺（1911）： 函数是这样一种关系 u，对 于任意的x，y 和 z，如果第 二个元素相同的两个序偶 y

23、； x 和 z；x 满足这个关系，那 么必有 y = x。,G. Peano, 1858-1932,案例 7 历史上的函数概念,豪斯道夫 （1914）： 设 P 是序偶 p = (a, b)组成 的一个集合，对于每一个 ，称 b 为 a 的象， 在特殊情况下，每个 a 只 有惟一的象 b，则被此 a 决定且与a相关的元 b称为 a 的函数，记为 。,F. Hausdorff, 1868-1942,案例 7 历史上的函数概念,古尔萨（1923）： 函数这个词的现代定义是柯西 和黎曼给出的。如果 x 的一个 值与 y 的一个值相对应，那么 我们就说y是x的一个函数。我 们用方程 y = f (x)

24、 来表示。,E. Goursat, 1858 - 1936,案例 7 历史上的函数概念,布尔巴基学派集合论（ 1939 ）： 设E和F是两个集合，它们可以不同，也可以相同。E中的一个变元x和F中的变元y之间的一个关系称为一个函数关系，如果对每一个xE，都存在惟一的yF，它满足与x的给定关系。我们将联系每一个元素xE和元素yF的运算称为函数；y称为x处的函数值，函数是由给定的关系决定的。两个等价的函数关系确定了同一个函数。,案例 7 历史上的函数概念,布尔巴基学派集合论（ 1939 ）： 定义集合 X 与 Y 的积集 X Y 如下：X Y = (x, y) | xX, yY。积集 X Y中的一子

25、集 R 称为 X 与 Y 的一个关系，若 (x, y) R，则称 x 与 y 有关系 R，记为 x R y，现设 f 是 x 与 y 的关系，即 f 包含于X Y，如果(x, y)、(x, z) f，必有 y =，那么称 f 为 X 到 Y 的函数。,案例 8 曲线的切线,欧几里得几何原本 圆的切线：与圆相遇、但延长 后不与圆相交的直线。 第3卷命题16推论：“过圆的直 径的端点作和它成直角的直线 与圆相切。”,Euclid（about 325 BC - about 265 BC）,案例 8 曲线的切线,阿波罗尼斯圆锥曲线 命题32称：“从圆锥曲线顶点作 直线与相应纵坐标线平行，则该 直线与圆

26、锥曲线相切，且在圆锥 曲线与该直线之间不能再插入另 外的直线。”,Apollonius （about 262 BC - about 190 BC）,案例 8 曲线的切线,命题3334：圆锥曲线的切线作图,案例 8 曲线的切线,案例 8 曲线的切线,案例 8 曲线的切线,案例 8 曲线的切线,阿基米德论螺线,Archimedes（287 BC - 212 BC）,案例 8 曲线的切线,17世纪数学家遇到的三类问题 一是光的反射问题。光的反射和折射在17世纪是一个十分盛行的研究课题，洛必达在其无穷小分析中列专章加以讨论。早在公元1世纪，古希腊数学家海伦（Heron）就已经证明了光的反射定律：光射向

27、平面时，入射角等于反射角。海伦还将该定律推广到圆弧的情形，此时，入射光与反射光与圆弧的切线所成角相等。那么，对于其他曲线，光又如何反射呢？这就需要确定曲线的切线。,案例 8 曲线的切线,案例 8 曲线的切线,二是曲线运动的速度问题。对于直线运动，速度方向与位移方向相同或相反，但如何确定曲线运动的速度方向呢？这就需要确定曲线的切线。 三是曲线的交角问题。曲线的交角是一个古老的难题。自古希腊以来，人们对圆弧和直线构成的角牛头角（图10中AB弧与AC构成的角）和弓形角（图11中AB与ACB弧所构成的角）即有过很多争议。17世纪数学家遇到的更一般的问题是：如何求两条相交曲线所构成的角呢？这就需要确定曲

28、线在交点处的切线。,案例 8 曲线的切线,笛卡儿：切线问题“是我所知道的、甚至也是我一直想要知道的最有用的、最一般的问题”。,案例 8 曲线的切线,费马的方法,案例 8 曲线的切线,笛卡儿的方法,Ren Descartes（1596 1650）,案例 8 曲线的切线,洛必达无穷小分析 曲线的切线是曲线的内接 “无穷边形”一边的延长线。,G. L Hospital（1661-1704）,案例 8 曲线的切线,案例 9 数学狂怪的作品,汪联松：北平晨报 （1938） 吴佑之：科学月刊 （1946） 杨嘉如：大陆报 （1948） 华罗庚：科学通报第三卷第六期 （1951） 中国数学杂志刊登启事（19

29、52年8月） 数学通报再次刊登上述启事（1953年1-2月） 数学通报第三次刊登启事(1957年1月号) “再告企图用规尺三等分角的同志”,案例 9 数学狂怪的作品,1852年，德摩根受一位朋友的委托，审查了一位朋友的一个老乡所给出的十分恐怖的三等分角作图法，该作图法相当于：若是一个已知角，则,案例 9 数学狂怪的作品,德摩根 (A. De Morgan, 1806-1871),案例 9 数学狂怪的作品,一位美国三等分角者如是说：“掌握科学知识的人类怎会如此愚蠢？任何一位科学家或数学家在他还未开始着手研究手头的难题时就说它不可能，这只能说明他能力有限。”,案例 9 数学狂怪的作品,一位美国三等

30、分者如是说：“我们发现当代的数学权威们并不试图去解决这些疑难，却去写些阐述不可能证明它们的论文。不鼓励这些难题的解法，反而打击他们，还封他们为狂怪。” 美国数学家Underwood Dudley80年代搜集狂怪们的研究“成果”，得三等分角作图法共两百余种！,案例 9 数学狂怪的作品,1951年，底特律一位82 岁高龄的 “五好牌” 向各个州的一流大学、各家著名私人研究机构，还有包括爱因斯坦在内的数学家，总共一百多处，通报了他的作图法！他收到了六十多份答复，其中最好的是爱因斯坦的：“我收到的信件太多了，尽管我非常想回复所有的信件，但我实在是没有时间！”,案例 9 数学狂怪的作品,错误的三等分角法

31、之一（R. J., 1986）：作者声称：有50多位数学教授（其中许多为博士）评价了他的论文，并支持他的证明,案例 9 数学狂怪的作品,1973 年，一位来自杜塞尔多夫的69 岁的退休公务员，声称自己在整整40 年里，花费12,000 多小时，终于找到了这个作图法,案例 9 数学狂怪的作品,令人眼花缭乱的三等分角作图法,案例 9 数学狂怪的作品,神秘的三等分角法（K.B.S., 1972）,案例 9 数学狂怪的作品,一位美国大学校长的三 等分角作图法（1933）,案例10 实无穷概念,研究问题：高中生比较无穷集合时采用何种策略？是否具有历史相似性？ 研究方法：测试与访谈 被试：江苏省某中学高二

32、、高三两个年级各一个班，共94人。他们只具有一些初步的集合和元素的知识，尚未接触过无穷集合的知识，也不曾阅读过有关康托尔集合论方面的书籍。,案例10 实无穷概念,实无穷测试题 1、正整数集1，2，3，4，5，中的元素是否比平方数集 1，4，9，16，25，中的元素多？ A、是 B、否 C、不知道 解释你的答案。 2、正整数集1，2，3，4，5，中的元素是否比偶数集 2，4，6，8，10，中的元素多？ A、是 B、否 C、不知道 解释你的答案。,案例10 实无穷概念,3、观察长度分别为4厘米和6厘米的线段AB和CD，若比较 AB和CD上的点，CD上的点是否比AB上的点更多？ A、是 B、否 C、不知道 解释你的答案。,案例10 实无穷概念,4、再观察线段AB和CD，连接CA和DB，并延长，交于点O，设P是CD上任意一点，连接PO，交AB于P。CD上的点是否比AB上的点更多？ A、是； B、否； C、不知道 解释你的答案。,案例10 实无穷概念,5、设 ， ，则集合A和 B是否具有同样多的元素？ A、是; B、否; C、不知道 解释你的答案。,案例10 实无穷概念,两个集合 A 和 B都满足： (1) A和B都是无穷集合； (2) B是A的真子集； (3)