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改变世界的百大科技59——微积分

如果说数学是人类智慧的皇冠,那么微积分无疑是这顶皇冠上最璀璨夺目的明珠。在漫长的科学发展史上,为了荣誉而引发的激烈争斗層

如果说数学是人类智慧的皇冠,那么微积分无疑是这顶皇冠上最璀璨夺目的明珠。在漫长的科学发展史上,为了荣誉而引发的激烈争斗層出不穷,而牛顿与莱布尼茨之间关于微积分的归属之争,则成为其中最耀眼的一段风云。

为了理解这场纷争的始末,让我们把时间拨回到17世纪。

在此之前的几个世纪中,不少学者在研究中都曾有意或无意地触及“求切线”与“面积计算”这两个基本问题。最早可以追溯到古希腊时期,到了17世纪,英国数学家查尔斯·沃尔夫在研究曲线的切线与面积关系时,已开始将两者联系起来。从现代的角度来看,他已经站在了微积分的门槛上,但遗憾的是,他未能进一步抽象出更广泛的概念。

查尔斯·沃尔夫进入17世纪中叶,一场席卷欧洲的科学革命逐渐展开,然而,作为描述自然界的强大工具,数学在这个时期遇到了一些难题。

当时,学者们开始关注变量和曲线的关系;在力学领域,他们试图通过路程确定瞬时速度,又或者用瞬时速度推算行程;在几何学上,则希望找到通用的求切线方法,甚至计算曲线所围区域的面积。

这些看似不同的问题,其实都可以归结为相似的数学结构——即在某一瞬间,变量的变化率,以及在一定时间内积累的变化。这两个问题的核心,都涉及到极限与无穷小的思想。由此诞生了微分(变化率)与积分(累积量)两个关键概念。而首次系统性研究微积分的伟大科学家,是英格兰的艾萨克·牛顿。

艾萨克·牛顿牛顿在科学界的地位非凡,他既是一位物理学家,也是一位数学家,还是哲学家和神学家。被誉为“现代科学的奠基者”。

1666年,他在研究月球轨道和引力时,发明了“流数法”,这被视作微积分的雏形;1669年,他用拉丁文发表了《分析法》,提出了用无限多项式解决问题的方法;1671年,又完成了《流数法与无穷级数》的著作。

然而,牛顿只是将微积分作为一种便捷的工具,用于解决实际问题,他的部分论文未曾公开,只在朋友间秘密交流。出于担心引发麻烦或还未完善体系的考虑,牛顿选择了谨慎保留这些成果。这一决定,后来也为他带来了一些麻烦。

约翰·莱布尼茨那时,牛顿并非唯一对微积分展开系统性研究的人。德国哲学家兼数学家莱布尼茨,也在同时进行相关探索。这个多才多艺的学者被誉为“十七世纪的哲学家”。

两人各自的研究轨迹逐渐展开,彼此之间的关系暗藏竞争与猜忌。莱布尼茨曾与牛顿有过书信往来,其中两封关键的信件——“前函”与“后函”——成为争议的焦点。在这些信中,牛顿一方面担心莱布尼茨窃取了自己的研究成果,另一方面又想主张自己是微积分的发明者。他在信中隐晦地提到“流数”与相关方程,这些内容被认为暗示着他早已掌握了微积分的核心思想,他用一串密码——6accdae13eff7i319n404qrr4s8t12vx——试图隐藏自己的发现。

这段难解的密码,意味着大意为“已知流量方程,求流数;已知流数,求流量。”在“后函”中,牛顿得知莱布尼茨也在研究类似体系,却没有提及自己,甚至评价道:“过去悬而未决的问题,现在依然没有解决。”

尽管如此,牛顿并没有急于公布他的微积分。直到1684年,莱布尼茨在莱比锡发表了《一种求极值和切线的新方法》,这是微积分的首次正式发表,尽管篇幅短小且理论尚不成熟,却具有里程碑式的意义。

莱布尼茨的论文详细介绍了微分的定义、运算法则,以及极值与拐点等问题。他在两年后,又发表了另一篇论文,专门讨论积分学,表达了自己对微积分的系统理解。

值得注意的是,莱布尼茨一再声称微积分完全由自己独立发现,并未提及牛顿。这激起了牛顿的愤怒。牛顿认为,莱布尼茨在未提自己名字的情况下,发表了与自己多年前研究成果类似的论文,涉嫌学术抄袭。

牛顿的反应与争议升级面对莱布尼茨的发表,牛顿的愤怒逐渐升温。由于当时牛顿在欧洲大陆的影响力尚未完全展开,他未立即反击。直到1687年,他发表了划时代的巨著《自然哲学的数学原理》(简称《Principia》),在第二卷中,特别提到与莱布尼茨通信中关于微积分的内容,彰显自己才是微积分的真正发明者。

在这部作品中,牛顿还引用了早期的通信信件,这些内容后来成为指控莱布尼茨剽窃的主要证据。

国际争端与名誉之战牛顿的支持者——英国皇家学会——展开了对莱布尼茨的猛烈攻势,指控他剽窃牛顿的研究成果。而莱布尼茨则在1711年至1712年间多次公开抗议,表达对牛顿的不满。他还与支持者合谋,向欧洲主要学术机构寄送匿名传单,声称自己才是真正的微积分发明者。

莱布尼茨自认为,牛顿只是在自己书房中偷偷研究流数法,从未公开发表,也没有与同行共享自己的研究成果。而他不仅第一次将微积分展示给学界,还创造了包括微分符号“dy/dx”和积分符号“∫”在内的符号体系,远远优于牛顿的点记法。如今,世界各地的高等数学教材中使用的微积分符号,正是源自莱布尼茨的创新。

遗憾与结局在得知牛顿也在从事类似研究后,莱布尼茨迅速与牛顿取得联系。然而,牛顿只以密码信回复,未曾给予明确帮助。面对不公平的指控,莱布尼茨选择发表自己虽不完善,却具有开创性的论文。

最终,莱布尼茨于1716年去世,而牛顿则多活了十三年,享受着崇高的荣耀。两位微积分的伟大发明者,各自的探索与贡献,直到今天仍在数学的殿堂中闪耀光辉。

微积分的意义微积分的诞生,标志着一个划时代的变革。它不仅成为高等数学的基石,更成为科学技术的基础工具。它带来了新的思维方式——由静态的、确定的数学,转向动态的、变化的数学。旧数学只关注恒定量,而新数学则关注运动、变化乃至无穷。

对后世的影响到了18世纪,微积分的应用遍及天文学、力学、光学、热力学等诸多领域,推动了科学的飞跃发展。同一时期,微积分也催生了微分方程、微分几何、无穷级数等新理论,极大拓展了数学的视野。

今天,我们尊重牛顿和莱布尼茨的贡献,承认他们都独立发明了微积分。他们的努力,为人类文明带来了不可磨灭的科学遗产,也让微积分成为理解世界的强大工具。