《大學文科數(shù)學(第二版)》為高等院校文科數(shù)學課程的教材,供中文、外語、歷史、政治等純文科專業(yè)使用。主要內(nèi)容為微積分、線性代數(shù)、概論與統(tǒng)計等高等數(shù)學知識,以及數(shù)學史、數(shù)學思想、數(shù)學方法等。本書為普通高等學校各文科專業(yè)公共課教材,出書后,華東師范大學每年的相關(guān)課程皆用此教材。
《大學文科數(shù)學》原教材的使用面很廣,也得到了上課老師和學生的普遍認可。
《大學文科數(shù)學》(第二版)是作者在使用*版進行八年教學后進行修訂,并再次出版的。這次再版的新教材有三個特點:一是增加了不定積分的內(nèi)容,使微積分的知識體系更加完善和合理;二是每章后面增加了思考題,引導(dǎo)有興趣和學有余力的讀者進行思考和做習題;三是書中增加了兩個閱讀和六個微課,讓讀者可以通過掃二維碼進行拓展閱讀來感悟數(shù)學文化,也可以通過觀看微課來品味數(shù)學思想。
本書是給大學文科學生寫的數(shù)學書,內(nèi)容有微積分和線性代數(shù),是高等數(shù)學中最基本的內(nèi)容.作為給文科學生學習的教材,本書編寫的主要目的不是為了教會文科學生如何進行數(shù)學推理,掌握數(shù)學的邏輯系統(tǒng).我們希望用數(shù)學的思想、歷史和應(yīng)用將基本內(nèi)容串聯(lián)起來,使文科學生體會到數(shù)學并不是只有抽象的、令人生畏的外表,還有親切自然的一面.
通常認為數(shù)學有三個層面的意義,第一是作為理論的數(shù)學,主要是培養(yǎng)學生的邏輯思維能力,是數(shù)學研究所必須具備的;第二是作為應(yīng)用的數(shù)學,以前數(shù)學是作為一種工具在科學技術(shù)中發(fā)揮作用,而近年來數(shù)學與計算機的結(jié)合直接成為能創(chuàng)造財富的生產(chǎn)力了;第三是作為文化修養(yǎng)的數(shù)學,我們從小學就開始學習數(shù)學,但真正將來能從事數(shù)學理論研究和實際應(yīng)用的人畢竟還是少數(shù),大多數(shù)人學習數(shù)學是作為訓(xùn)練理性思維能力的載體,是人的基本素質(zhì)的一部分.一般我們不會要求每個學生都能寫詩繪畫,但會要求具備藝術(shù)修養(yǎng)、文學素質(zhì).對待數(shù)學也應(yīng)該如此.
既然是基本素質(zhì),我們僅僅知道初等數(shù)學,那就很不夠了.人類進入工業(yè)社會,數(shù)學是起了很大作用的.微積分的誕生,在很大程度上影響了工業(yè)革命的進程,同時開創(chuàng)了人類科學的黃金時代,成為人類理性精神勝利的標志.而微積分最重要的思想就是極限,這是近代數(shù)學與初等數(shù)學的本質(zhì)性的差別.作為21世紀的大學生應(yīng)該要了解這一點,不然就很難說已經(jīng)具備了數(shù)學的基本素質(zhì).這也是編寫本書的初衷.
盡管數(shù)學素質(zhì)非常重要,但文科學生對學習數(shù)學還是會有一些疑問.比如,數(shù)學在人文學科中有什么應(yīng)用?
實際上,在半個世紀以前的很長時間內(nèi),數(shù)學的應(yīng)用還基本局限于物理學、力學等傳統(tǒng)領(lǐng)域.二戰(zhàn)以后,人們將數(shù)學應(yīng)用于信息、控制領(lǐng)域,產(chǎn)生了信息論和控制論.發(fā)電報傳送的信息,用腦控制手去撿東西都成了數(shù)學研究的對象.影響更大的是美國數(shù)學家馮·諾依曼基于數(shù)學基礎(chǔ)的計算機方案,從理論上為我們今天計算機的飛速發(fā)展打下了基礎(chǔ).在20世紀50年代,數(shù)學又被應(yīng)用到了金融學中,誕生了數(shù)理金融學,在以前認為只要簡單算術(shù)就可以解決問題的金融學中,用起了大量的現(xiàn)代數(shù)學.
醫(yī)學從來就被認為是實驗科學,基本是靠醫(yī)生的經(jīng)驗去解決問題,所謂郎中還是老的好.但是在20世紀60年代誕生的X光斷層掃描技術(shù),即我們熟知的CT機,就是數(shù)學和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.CT檢查大大提高了疾病的診斷精度,極大地減少了對醫(yī)生經(jīng)驗的依賴,是數(shù)學直接產(chǎn)生生產(chǎn)力的一個很好的例子.現(xiàn)在,數(shù)學在文學、考古學等純文科領(lǐng)域也有了很多的應(yīng)用.如用數(shù)學方法研究文學作品的作者,典型的例子是20世紀80年代,復(fù)旦大學數(shù)學系李賢平教授使用數(shù)學中的統(tǒng)計學方法,對誰是《紅樓夢》的作者進行了研究,得出了自己的結(jié)論.在考古學中應(yīng)用數(shù)學,產(chǎn)生了新的學科:計量考古學.
總之,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,數(shù)學必將在更多的領(lǐng)域中發(fā)揮作用.縱觀這幾十年,很多偉大的發(fā)現(xiàn),都是在傳統(tǒng)認為不需要數(shù)學的地方運用了數(shù)學而獲得的.所以,學習數(shù)學對于文科學生來說,除了基本素質(zhì)的要求,還應(yīng)該看高一層.
在文科專業(yè)中,很多學生并不喜歡數(shù)學,這或許是由于多少年來我們數(shù)學教學總是循著定義、定理、證明這樣一條形式化的路線,中學數(shù)學基本也是如此,甚至將數(shù)學教學變成了解題教學.這種過于死板的教學,對學生的吸引力當然是很有限的,很多學生對數(shù)學的反感,大多源于此.在本書中,希望通過我們的探索和努力,讓讀者對數(shù)學有一個新的認識.
本書在成書過程中參考了不少文獻和書籍,重要的都列在了書末的參考書目一欄,特別是參考書目1.
本書由柴俊任主編,并完成全部書稿.同時本書的編寫得到了華東師大教學建設(shè)基金的資助,也得到了數(shù)學系很多同事的幫助,特別是程靖、林磊、汪志鳴、戴浩暉、王一令、袁富榮和賈摯,他們提出了很多非常好的意見和建議,林磊、汪志鳴、戴浩暉、王一令還為本書提供了素材,程靖和賈摯閱讀了本書的初稿,改正了初稿中不少錯誤,在此對他們表示衷心的感謝.
由于試著要改變一些傳統(tǒng),所以有些想法會有局限,也會有很多地方存在疏漏,非常需要廣大讀者提出批評和建議,我們衷心感謝并一定會認真聽取.
柴俊2011年6月于華東師大
柴俊,華東師范大學數(shù)學系教授、博導(dǎo),全國高等教育學會教育數(shù)學專業(yè)委員會副理事長,高等學校大學數(shù)學教學研究與發(fā)展中心學術(shù)委員會委員,研究方向為大學數(shù)學教育、應(yīng)用數(shù)學。主要著作:《高等數(shù)學》(第2版)(上下冊),華東師范大學出版社2008年出版。
第一章微積分研究的對象函數(shù)1
1表示變量因果關(guān)系的函數(shù)1
一、 函數(shù)的概念1
二、 區(qū)間與鄰域2
三、 函數(shù)的表示3
四、 反函數(shù)4
五、 基本初等函數(shù)和初等函數(shù)5
六、 函數(shù)的基本性質(zhì)8
2函數(shù)的實例11
第二章微積分的基礎(chǔ)極限14
1數(shù)列極限的初步認識14
2數(shù)列極限的數(shù)學定義16
3數(shù)列極限的性質(zhì)17
4函數(shù)極限與函數(shù)連續(xù)性21
一、 函數(shù)極限21
二、 無窮小量26
三、 等價無窮小量和高階無窮小量27
四、 函數(shù)連續(xù)性28
五、 連續(xù)函數(shù)的性質(zhì)與存在性定理32
第三章變化率和局部線性化導(dǎo)數(shù)和微分37
1函數(shù)的變化率導(dǎo)數(shù)37
一、 兩個實際例子37
二、 導(dǎo)數(shù)的概念39
三、 導(dǎo)數(shù)的運算性質(zhì)42
四、 二階導(dǎo)數(shù)46
2函數(shù)的局部線性化微分47
一、 微分是函數(shù)在局部的線性化47
二、 微分基本公式與運算法則50
3微分中值定理和導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用53
一、 拉格朗日中值定理和函數(shù)的平均變化率53
二、 微分中值定理的應(yīng)用55
第四章變量的累加積分67
1艱難的探索古代求曲邊圍成圖形面積的例子67
2探索求面積的統(tǒng)一方法定積分的概念和性質(zhì)68
一、 探索求面積的統(tǒng)一方法,從曲邊梯形的面積開始68
二、 分成局部,積成整體定積分的概念71
三、 積分的基本性質(zhì)73
3原函數(shù)和微積分學基本定理75
一、 原函數(shù)76
二、 積分上限函數(shù)和微積分學基本定理77
4不定積分80
一、 不定積分概念80
二、 直接積分法81
三、 不定積分的換元積分法(湊微分法)83
四、 不定積分的分部積分法85
5定積分的計算87
一、 直接用牛頓萊布尼茨公式計算定積分87
二、 用換元積分法(湊微分法)計算定積分88
三、 用分部積分法計算定積分89
6定積分的應(yīng)用91
一、 平面幾何圖形的面積91
二、 平行截面面積為已知的立體的體積92
第五章微分的進一步應(yīng)用微分方程97
1微分方程的實例97
一、 最簡單的微分方程y(t)=y(t)97
二、 微分方程y(t)=ky(t)97
2簡單一階微分方程的求解99
一、 求解方程y(t)=ky(t)99
二、 可分離變量型微分方程的求解100
第六章處理線性關(guān)系的數(shù)學線性代數(shù)105
1矩陣和行列式105
一、 線性方程組求解105
二、 矩陣106
三、 行列式110
2線性方程組的求解115
一、 一個實例115
二、 克萊姆法則117
三、 高斯消元法119
3矩陣與線性方程組的解121
一、 矩陣的乘法和矩陣的逆121
二、 利用矩陣的初等變換解線性方程組130
參考書目138