函數(shù)概念的演變
來源:轉(zhuǎn)載 2008-05-07 18:11:48
函數(shù)概念是數(shù)學(xué)中最基本的概念之一,但它不像算術(shù)產(chǎn)生于遠(yuǎn)古時(shí)代,函數(shù)概念的產(chǎn)
生非常晚,至今只有三百余年歷史。函數(shù)概念的演變大體上可分為萌芽階段、形成階段、
成熟階段、近代階段和現(xiàn)代階段等五個(gè)階段。
在公元十六世紀(jì)之前,數(shù)學(xué)上占統(tǒng)治地位的是常量數(shù)學(xué),其特點(diǎn)是用孤立、靜止的觀
點(diǎn)去研究事物。具體的函數(shù)在數(shù)學(xué)中比比皆是,但沒有一般的函數(shù)概念。十六世紀(jì),隨著
歐洲過渡到新的資本主義生產(chǎn)方式,迫切需要天文知識(shí)和力學(xué)原理。當(dāng)時(shí),自然科學(xué)研究
的中心轉(zhuǎn)向?qū)\(yùn)動(dòng)、對(duì)各種變化過程和變化著的量之間依賴關(guān)系的研究。數(shù)學(xué)研究也從常
量數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)向了變量數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)的這個(gè)轉(zhuǎn)折主要是由法國數(shù)學(xué)家笛卡爾完成的,他在《幾何
學(xué)》一文中首先引入變量思想,稱為“未知和未定的量”,同時(shí)引入了兩個(gè)變量之間的相依
關(guān)系。這便是函數(shù)概念的萌芽。十七世紀(jì),在對(duì)各種各樣運(yùn)動(dòng)的研究中,人們愈來愈感到
需要有一個(gè)能準(zhǔn)確表示各種量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)概念。經(jīng)過深思熟慮,人們從笛卡爾的變量
思想中得到啟示,從而引出了函數(shù)概念。據(jù)考證,十七世紀(jì)中葉,微積分的創(chuàng)始人之一德
國數(shù)學(xué)家萊布尼茲最先使用函數(shù)(function)這個(gè)名詞。不過,他指的是變數(shù)x的冪x,x,…
等等。后來才逐步擴(kuò)展到多項(xiàng)式函數(shù)、有理函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、三角函
數(shù)和反三角函數(shù)以及由它們的四則運(yùn)算、各種復(fù)合所形成的初等函數(shù)。這些函數(shù)都是具體
的,都有解析表達(dá)式,并且和曲線緊密聯(lián)系在一起。那時(shí)的函數(shù)就是表示任何一個(gè)隨著曲
線的點(diǎn)的變動(dòng)而變化的量。至此,還沒有函數(shù)的一般定義。
十八世紀(jì)初,貝努利最先擺脫具體的初等函數(shù)的束縛,給函數(shù)一個(gè)抽象的不用幾何形
式的定義:“一個(gè)變量的函數(shù)是指由這個(gè)變量和常量的任何一種方式構(gòu)成的一個(gè)量!睔W拉
則更明確地說:“一個(gè)變量的函數(shù)是該變量和常數(shù)以任何一種方式構(gòu)成的解析表達(dá)式。”函
數(shù)之間的原則區(qū)別在于構(gòu)成函數(shù)的變量與常量的組合方式的不同。歐拉最先把函數(shù)的概念
寫進(jìn)了教科書。在貝努利和歐拉看來,具有解析表達(dá)式是函數(shù)概念的關(guān)鍵所在。
1734年,歐拉用記號(hào)y=f( x)表示變量x的函數(shù),其中的“f”取自“function”的第
一個(gè)字母。
十八世紀(jì)中期,由于偏微分方程中的弦振動(dòng)問題引起了關(guān)于函數(shù)概念的爭論,迫使數(shù)
學(xué)家接受一個(gè)更廣泛的概念。1755年歐拉給函數(shù)下了一個(gè)新的定義:如果某些量這樣地依
賴于另一些量,當(dāng)后者改變時(shí)它經(jīng)常變化,那么稱前者為后者的函數(shù)。
法國數(shù)學(xué)家傅立葉的工作更廣泛地展現(xiàn)了函數(shù)究竟是什么的問題,他的工作動(dòng)搖了十
八世紀(jì)的信念,那種視函數(shù)僅為解析式的觀點(diǎn)作為揭示函數(shù)關(guān)系真諦的巨大障礙終于排除
了。
十九世紀(jì)20年代,微積分嚴(yán)格理論的奠基者柯西的函數(shù)概念,可以說是現(xiàn)代函數(shù)概
念的基礎(chǔ),他認(rèn)識(shí)到函數(shù)是變量與變量之間的一種關(guān)系,但不足之處是仍然沒有擺脫“表
達(dá)式”之說。
1837年,德國數(shù)學(xué)家狄利克萊在總結(jié)柯西和羅巴切夫斯基工作的基礎(chǔ)上,給出至今最
常用的函數(shù)定義:如果對(duì)于給定區(qū)間上的每一個(gè)x的值都有唯一的一個(gè)y值與它對(duì)應(yīng),那
么y就是x的一個(gè)函數(shù)。至于在整個(gè)區(qū)間上y按照一種還是多種規(guī)律依賴于x,或者y依
賴于x是否可用數(shù)學(xué)運(yùn)算來表達(dá),那都是無關(guān)緊要的。
十八世紀(jì)以來,隨著微積分的發(fā)展,函數(shù)概念不斷變化,經(jīng)過二百多年的演變,函數(shù)
概念逐步清晰與穩(wěn)定。引入了映射概念,其一般定義為:設(shè)集合X、Y,如果X中每一個(gè)元
素x都有Y中唯一確定的元素y與之對(duì)應(yīng),那么我們就把此對(duì)應(yīng)叫做從集合X到集合Y的
映射。記作f:X→Y,y=f(x)。
二十世紀(jì)初,G·H·哈代更明確指出:函數(shù)的本質(zhì)屬性在于:y和x之間存在某種關(guān)
系,使得y的值總是對(duì)應(yīng)著某些x的值。
隨后,O·維布倫用集合定義了變量與函數(shù)!白兞渴谴砟硞(gè)集合中任一元素的記號(hào)!
“變量y的集合與另一個(gè)變量x的集合之間,如果存在著對(duì)于x的每一個(gè)值,y有確定的
值與之對(duì)應(yīng),那么y叫做x的函數(shù)!边@個(gè)定義比此前的定義更合理、更確切,這是一個(gè)比
較完整的函數(shù)概念。
1939年,N·布爾巴基用集合之間的映射定義了函數(shù):
“設(shè)E和F是兩個(gè)集合,E中的每一個(gè)變元x和F中的每一個(gè)變元y之間的一個(gè)關(guān)系
f稱為函數(shù),如果對(duì)每一個(gè)x∈E,都存在唯一的y∈F,它們滿足給定的關(guān)系!庇涀f:E→F,
f
或者記作E??→F。
在布爾巴基的定義中,E和F不一定是數(shù)的集合。他強(qiáng)調(diào)函數(shù)是集合之間的一個(gè)映射。
因此,他所定義的函數(shù)更加廣泛。
現(xiàn)在常用的函數(shù)概念,也是中學(xué)數(shù)學(xué)中的函數(shù)概念,把變量局限于實(shí)數(shù)范圍:
設(shè)x表示某數(shù)集D中的變元。對(duì)D中每一個(gè)x,按一定的法則有唯一的實(shí)數(shù)y與之對(duì)
應(yīng),則稱y是x的函數(shù),記作y=f(x)。稱x為自變量,D叫做函數(shù)的定義域,f表示對(duì)應(yīng)
法則,y的取值范圍叫做函數(shù)的值域。
二十世紀(jì)以來,函數(shù)概念不斷擴(kuò)充,函數(shù)不僅是變數(shù),還可以是其它變化著的事物。
還出現(xiàn)了所謂廣義函數(shù)以及函數(shù)的函數(shù)等等。但大體上可被布爾巴基的函數(shù)概念覆蓋。以
研究函數(shù)為已任的分析學(xué),成為數(shù)學(xué)的三大基本分支之一,形成幾何、代數(shù)、分析三足鼎
立的局面。在分析學(xué)中,函數(shù)論占有重要地位,它又劃分為實(shí)函數(shù)論與復(fù)函數(shù)論兩大部分,
分工越來越細(xì)。
我國最早使用“函數(shù)”一詞是清朝數(shù)學(xué)家李善蘭。1859年李善蘭在上海與英國人偉烈
亞力合作譯英國數(shù)學(xué)著作《代數(shù)學(xué)》時(shí)譯道:“凡式含天,為天之函數(shù)”,首次將“function”
譯成“函數(shù)”。中國古代以天、地、人、物表示未知數(shù),“函”字即“含有”、“包含”之意。
函數(shù)概念的演變過程,就是一個(gè)函數(shù)內(nèi)涵在不斷地被挖掘、豐富和精確刻劃的歷史過
程;同時(shí)看出數(shù)學(xué)概念并非生來就有,一成不變,而是人們在對(duì)客觀世界深入了解過程中
得到,并不斷加以發(fā)展的,從而以適應(yīng)新的需要。
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