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说课(7) 精选

已有 7567 次阅读 2010-3-22 13:02 |个人分类:教育点滴|系统分类:教学心得

       很多人认为,积分教学的关键是教会学生如何进行积分计算,其实不然,计算固然重要,但积分理论同样蕴涵深刻的数学思想。

        在微积分理论产生之前,求曲线所围图形的面积是一类十分困难的问题。事实上,在阿基米德和伽利略时代,面积、体积与曲线长度的计算对普通人来说是件奢侈品,只有天才的数学家才敢于挑战。解决这类问题往往需要非常高超的技巧。只有在巴罗(Barrow,牛顿的老师)发现了微分与积分的内在关系并由牛顿与莱布尼兹发展成一套完整的微积分体系之后,上述问题才开始变成大众化的问题,对于普通人来说,计算面积、体积与曲线长度再也不是一件可望不可及的难事了。

    传统的教材通常是首先介绍不定积分,在介绍了各种积分技巧后才来介绍定积分及微积分学基本定理,这样的安排有两个明显的缺陷:1、与积分理论的发展历史不相符。历史上实际上是先有了面积概念(定积分),原函数概念是后来产生的,面积问题一直可以上溯到欧几里德时代。按照教材中的顺序难以尽述积分理论的来龙去脉。 2、不定积分与定积分内容部分重复。学过微积分的人都知道,学习不定积分时需要熟悉若干积分方法(分部积分、换元法等),学习定积分时还得再来一遍(当然,此时的侧重点在于积分上下限的确定问题),显得不那么干净利索。其实我们完全可以将不定积分、定积分合二而一。

    如果我们从距离(或面积)问题出发首先引入定积分思想(分割求和),通过各种实例说明实际计算的难度,然后再引入原函数概念,寻找分割求和与原函数之间的内在关系,马上可以得到微积分学基本公式。实际可以这样进行:

    直边图形的面积,如矩形的面积、三角形的面积、多边形的面积已经熟悉了。 然而,求一般图形的面积并不是一件容易的事。 回忆在处理一般函数时,常用函数曲线上一点的切线段代替曲线段。这一思想可以帮助我们处理一般的面积问题。具体地说,我们可以局部地利用矩形来代替一般区域,可以通过几个具体的例子阐述这一思想。

    通过距离与面积问题的探讨可以发现处理这类问题的共同点,以距离为例,设物体t时刻走过的路程为St),那么物体从t0时刻到t1时刻走过的路程为St1-St0)(引入原函数概念)。又假定物体t时刻的速度为vt),按定积分定义,物体从时刻t0到时刻t1所走过的路程为速度函数v(t)  [t0,t1] 上的定积分,因此应该有

                      

这就是说,函数v(t) 的定积分与其原函数之间有某种内存关系,这种关系是偶然的巧合还是具有普遍性呢?换言之,如果函数fx)在[ab]上可积,它是否必有原函数?如果Fx)是fx)的原函数,是否必有

 

  

如果上述等式成立,那么计算f(x)的定积分问题就转换成了求原函数的问题。 从前面的例子可以看到,根据定积分定义计算定积分的值是件异常困难的事,而求原函数相对说来要简单得多,因此上述等式将为计算定积分带来极大的方便。事实上,正是这一公式使得微分计算与积分计算这两个看似无关的问题之间建立了一座桥梁,从而带来了面积、体积及曲线长度计算的一场革命。 这类问题不再令人望而生畏了。

   

有了上述探讨,学生对积分问题就有了个整体的认识,接下来就是细节问题了,可以首先定义原函数概念。

  

如果知道了变速运动物体任意时刻的速度,也许我们还想知道该物体在某个时间段内走了多远,或者在某一时刻它的位置。 工程师可以测量水库大坝每一点的压强,也希望知道大坝所承受的压力。 生物学家希望从细菌繁殖的速度算出某个时刻细菌繁殖的总量,所有这些问题都归结为如何寻找函数F,使其导数是已知函数f,如果这样的函数F存在,则称它为f的一个原函数。

   

定义:y=fx)是区间I上的函数,如果存在I上的函数F,使得对任意 ,有F’(x)=f(x),则称FfI上的一个原函数。

  

在此基础上定义不定积分,且别急于介绍各种积分技巧,首先寻找原函数与定积分之间的一般关系,从而建立微积分学基本公式牛顿.莱布尼兹公式,最后再介绍各种积分技巧。如此学生对积分理论就有了个清晰的轮廓,不至于被各种纷繁复杂的积分技巧弄得晕头转向。事实上,个人觉得对于非数学专业的学生而言,不需要掌握太深奥的积分技巧,借助各种数学软件很容易得到各种复杂的积分。换句话说,积分理论的教学重点同样不应该放在技巧的训练上,思想更重要。

   


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