在前人的基础上,牛顿在无穷小的基础上建立微积分。他在1669年著作的《运用无穷多项方程的分析学》中根据二项式定理得到了求曲边梯形的方法。假定曲边梯形面积 ( 是有理数).他把 的无穷小增量叫 的瞬,用 表示,把由曲线、 轴、 轴及 处纵坐标所围成的面积用 表示( 是面积的瞬)。根据二项式定理得到
,代入 得
,略去含 的项,得 。由此若已知曲边梯形面积为 ,那么构成面积的曲线为 ,反之也可成立。但牛顿虽然给出了简便的算法,却无法给出合理的解释。比如上文中提到的无穷小增量 是不是 ?若不是的话,为何在计算过程中可以略去含 的项呢?因此它并没有说清概念,只是简化了计算,这种计算就是我们现在所说的微积分基本定理。1671年,牛顿又著作了《流数法和无穷级数》,与之前论作不同的是,他认为数学量都是由连续轨迹运动产生的,改进了原来的静力学不可分法,同时也提供了更有效的计算方法。但该种方法仍是以无穷小量为基础,计算中舍去含 项的过程仍无法解释,因为还是存在逻辑漏洞。1693年,牛顿著作了《曲线求积术》,这本书中,他放弃了无穷小量,提出了最初和最后比的概念,依然沿用了之前所说的流数算法。同时他给出了导数的概念,利用最初和最后比求出了 关于 的导数,同时给出了几何意义的解释。事实上,早在1687年,牛顿就出版了第一本微积分学说的巨作《自然哲学的数学原理》,书中用极限思想解释了微积分学中的许多概念,可见他将微积分建立在极限的基础上。本书不仅为之后的《曲线求积术》提供了理论基础,更是数学史上划时代的作品,所以我们认为牛顿创立了微积分。论文网
莱布尼兹同样对微积分的创立有巨大贡献,他在研究费马、笛卡尔、帕斯卡等人的著作时,写了《数学笔记》,慢慢地建立了微积分学。在研究帕斯卡三角形问题时,他发现任何元素是上面一行左边各项之和,也是下面一行相邻两项之差。为了将数列求和求差运算与微积分联系起来,他用 表示数列的项数,用 表示这一项的值,用 表示数列的相邻项的序数差(此时为0),用 表示相邻项的值的差。由此,有限序列的和差关系可表示 ( 表示和)。进一步,莱布尼兹将之一般化,用 表示函数的相邻自变量的差,用 表示相邻函数值的差,同时将它们在坐标系中表示出来,使它们有了几何意义。1686年,在整理不断完善的《数学笔记》之后,莱布尼兹发表了第一篇微积分论文《一种求最大值与极小值以及求切线的新方法》,对微分给出定义:“横坐标 的微分 是一个任意量,而纵坐标 的微分 则可定义为它与 之比等于纵坐标与次切线之比的那个量。”同时,书中还给出了微分法则 及函数的和、差、积、商的证明,由此探讨求切线、求极大极小值和求拐点的方法。
综上,两人在创立微积分学上都做出了巨大的贡献。虽然两者出发点不同,研究侧重点也不同,但他们各自独立地发现了微积分基本定理,并建立起一套有效的微分和积分算法;同时把微积分从几何形式中解脱出来,采用了代数方法和记号,扩展了它的应用范围。因此,速度、切线、极值、求和四大问题都得以用微积分解决。然而由于两者都是以无穷小量为基础研究极限,对无穷小量的概念过于模糊,导致对极限的定义不够严格,因此牛顿和莱布尼兹的理论受到了严峻的挑战。就像所有的新事物一样,任何重大理论都需要时间来沉淀,极限思想与微积分理论也需要改进。
3 极限概念的定量化和数学符号表达阶段