灵感来自几何,简洁的表达靠代数,精确的计算靠分析
数学分析主要始于对无穷、数学序列的研究,而由于力学对运动物体的研究的需求,又极大地促进了微积分的发展。但与无穷序列有关的想法极为古老,例如阿基米德时期产生了无穷序列的直观想法、找出极限情况等分析萌芽。
几何灵感
抛物线弓形区域的面积是阿基米德最优美的成果之一。所谓“抛物线弓形区域”,就是在抛物线上任取不同的两点,然后连接作为弦,那么该弦与抛物线将围成的便一个弓形区域。关于该该弓形区域的面积计算,阿基米德是这样考虑的:
首先,过弦的中点,作一条与抛物线对称轴平行的直线,该直线与抛物线的交点和弦的两个端点确定一个三角形。如果该三角形的面积为S,明显地三角形内接于抛物线,弓形面积一定大于S。
其次,因为有两个小弓形未被三角形覆盖,阿基米德用同样的方法,在小弓形中分别加了两个小三角形,而且巧妙地证明,两个小三角形的面积之和必定为
。
此时,将会产生四个更小的弓形,继续上面的过程,阿基米德又加了4个小三角形,其面积和为
。另外,阿基米德清楚地证明:不断地添加越来越小的三角形时,每次新添加的小三角形的总面积都是前面的总面积的
。
精确计算
在19世纪之前,曲线之下的面积一直被认为是个确定的值。而阿基米德计算出了抛物线开口朝下时,所确定的数值,即抛物线弓形面积。但绝非任意曲线下都有一个明确的面积,在卡尔·弗里德里希·高斯的时代之前,数学家只研究了其下具有明确面积的曲线。或许是因为其太过直观,数学家在使用无穷序列计算面积时,很少有怀疑。
就像阿基米德,计算抛物线弓形面积,其几何的直觉足以让人相信
定义了一个确定的数值。而对这一数值的计算,可采用如下的方法:因为
所以
两个等式相减,可得3x=4,于是
。
阿基米德得到
但对于建立在无穷序列思想上的任何结果,他总是小心翼翼。所以,阿基米德用穷举法论证了答案的可靠性。尽管阿基米德的证明没有依赖无穷序列,但把一个图形切割成越来越小的图形的思想,是千真万确的,这在阿基米德的著作《方法论》中有详细的解释。
杠杆原理
关于抛物线弓形面积计算,阿基米德还给出了另外的一种方法,阿基米德说过“给我一个支点,我能撬起整个地球”,你能想到,阿基米德用“杠杆原理”计算了抛物线弓形面积吗?请参考专栏《大师启示录》。