几何直观是数学思想吗 数学中的直观主要包含三种( 二 )
不过在现行中学数学统编教科书中 , 很多几何概念的定义有严重缺陷 , 例如把直观当作定义 , 或语义含混 (详见 [2]) 。
回过头来再看实数的概念 。非常值得一提的是数轴的直观 。将实数理解为数轴上的点 , 对于大多数学生是理解实数(包括无理数)的一个有效途径 。有了无理数的例子 , 再有数轴的直观 , 对于普通学生就可以有效地讲授实数概念 。换言之 , 几何直观是理解实数的一个有效途径 , 对于中学生是不可或缺的 。
对于多数学生有较高难度的定义还有一些 , 如概率 。对于这类概念 , 只讲直观而不讲定义 , 常常是明智的 。但常常还需要给出表达方式 , 并进一步给出“操作”(如计算)方法 。这样学生就能够运用这些概念 , 做出有创新性的工作 , 尽管可能最终也没有完全搞懂某个概念 。此外 , 通过应用也有可能提升对于概念的理解 。
简言之 , 如果学生能理解 , 直接讲定义对于建立数学概念最有效;而若大多数学生不能理解 , 最起码也不应该讲假的定义 , 或者忽悠学生 。
在大学数学教程中也有定义方面的问题 。
先来看微积分教程 。随便找一本微积分(或数学分析)教科书 , 就会看到其中积分(黎曼积分)的定义颇不简单 。在数学分析教程中 , 一元函数的积分定义为一个颇不平凡的极限 , 判别其存在性还要用到达布和等 , 相当复杂而费解 。在非数学专业的微积分教程中 , 这部分内容只是简化了些(实际上是偷工减料) , 复杂度基本未变 , 所以未必比数学分析教科书容易懂;但另一方面 , 对这些内容都不会布置作业 , 更不会考试(包括研究生入学考试) , 徒然浪费时间且让学生头疼 。
顺便指出 , 各版本中学教科书中的积分概念也是这样写的 , 对于中学生当然就更头疼了 , 甚至很多中学教师也看不懂 。
学过实变函数论就知道 , 一元函数黎曼可积等价于几乎处处连续 , 直观地说 , 其实离连续函数没多远 。在黎曼积分的应用中实际上主要是针对连续函数 , 至多是分段连续函数 。对于一般的学生 , 由黎曼积分其实只是学到面积的一个定义 , 何况这还不是一般的定义 , 例如一条一般的约当单闭曲线所围成的区域的面积 , 就不能用黎曼积分来定义(在康妥的时代就知道 , 曲线可能有非零的面积) 。所以 , 花了那么多的时间那么大的功夫学黎曼积分 , 只是学到一个特殊情形的面积定义而已 。然而 , 一般人都有面积的直观 , 并不需要面积的定义 。(如果关心面积的定义 , 可以看勒贝格积分或更一般的定义 , 如动力系统中对于维数和测度的定义 。)因此 , 为了理解积分的概念 , 至少对大多数学生 , 不如局限于连续函数的积分 。
如果将连续函数的积分定义为“有向面积” , 就很容易理解且不需要花多少功夫 。具体说 , 对于闭区间 [a, b] 上的连续函数 f(x) , 由直线 x=a , x=b , y=0 和曲线y=f(x) 围成的图形具有面积 , 将直线 y=0 上方的面积看作正的 , 下方的面积看作负的 , 这样得到的总面积称为有向面积 。将 f(x) 在 [a, b] 上给出的有向面积称为它的积分 , 记为
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由此定义不难证明牛顿-莱布尼兹公式
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而积分的一些其他基本性质如
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(r, s为实数) , 分部积分法、换元法以及一些初等函数的积分等 , 利用牛顿-莱布尼兹公式都很容易证明 (有些甚至可以作为习题) 。利用张景中先生制作的辅助软件 , 一堂课就足以讲清楚积分的基本概念和牛顿-莱布尼兹公式 , 这已经超过中学课程标准的要求了 。至于黎曼积分的原始思想——分割成竖条作面积和再取极限 , 可以直观地讲一下 , 不讲也可以 , 不需要花费很多课时 , 其实只有少数学生会关注 。
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