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美国高校为何要推动微积分教学的改革运动

2012-11-22 
美国大学为何要推动微积分教学的改革运动?说句大实话,大学微积分教学需要改革的呼声不算稀奇,但是,把教学

美国大学为何要推动微积分教学的改革运动?

       说句大实话,大学微积分教学需要改革的呼声不算稀奇,但是,把教学的改革搞成一场”大运动“(Calculus Reform  Movement),事情就算搞大了。

         1992年,布尔巴基学派撰写的一本数学史专著(Elements of the History of Mathematics),在全球范围内影响颇大。该书第17节(p167至p199)讲的是微积分(Calculus)的发展史,相对而言,篇幅算是最大的,内容相当详细。经过布尔巴基的考证,现今在微积分中的极限(limit)概念的形式定义(所谓(ε,δ)定义)是在1870年由德国数学家维尔斯特拉斯(Weierstrass)给出的,其一阶逻辑的定义如下:

                  ?ε>0 ?δ>0 [ 0<┃x─a ┃< δ ? 0<┃f(x) ─ L┃<ε]                (1)

在(!)式中,(函数f(x)的定义暂时省略),?ε与?δ是所谓的“限量词”,分别对变元ε与δ加以限定,使其均为正数,限量词”?“表示所有(All),”?“表示存在(Exist),逻辑符号“?”表示逻辑蕴涵,而且L是一个常数。我们将(!)式改写成为如下形式:

               ?ε>0?δ>0[P? Q]                               (2)

该表达式(2)的意思是:如果?ε>0,则必定?δ>0,使命题”P? Q“为真,即由命题P可以导出命题Q。在这里,P代表0<┃x─a ┃< δ ,而Q代表0<┃f(x)─ L┃< ε。

          在现今的微积分教科书中,如果(1)成立,则称函数F(x)在a处的极限为L,记为:

l                          l imf(x) = L(常数)(x? a )                                     (3)

           我们要注意:在(3)式中,出现了一个新的表达式”x? a“,由此,麻烦就出来了。因为,表达式”x? a“暗示着”x无限地趋近于a”的意思,但是,在极限定义的(1)式中,并不明显地包含着“无限地趋近于”这层意思。大约在1992年,美国国内出现一篇很有分量的署名文章,题为“Students’ Difficulties in Calculus”(“在微积分中大学生的困难”),该文作者明确指出了现今微积分教科书中的这一缺陷。什么”任意小的量“、”无限地趋近“,”愿意多小就多小“......种种糊涂的说法在微积分教科书中”遍地皆是“。这种非常糟糕的状况,导致美国大学生不能正确地掌握极限的基本概念(大约有一半),影响很坏,此处的原文是”...the600 000 students taking college calculus in 1987, only46% obtained a pass at grade D or above ”(参见:Anderson & Loftsgaarden, 1987)。因此,该文作者大声呼吁要进行所谓的”微积分改革运动“(“Reform movement”)。

          从根本上来说,问题究竟出在哪里呢?2008年,美国知名数理逻辑专家J.Keisler发表一篇重要学术论文,题为“Quantifiers in limits”(“极限论中的限量词”),作者在文中明确指出:在现今极限论的(ε,δ)定义中真正的“难点”在于“限量词的复杂性“,比如:下述逻辑表达式

                             ?x?y ?z [y ≤ z ? x ≤ F (z)]             (4)

就是所谓的”限量词复杂性“的一种具体表现(”???类型“),上述(4)式就是”当z趋于无穷大时,函数F(z)也趋于无穷大“的一阶逻辑的正确表达方式。对于这种复杂的多重限量词的用法,不是“糊涂蛋”的大学生也不会轻易掌握它。如果你不相信,令F(n)=n,试用限量词表达式来说明函数F(n)是无穷大(当n趋向于无穷大时)。这需要动一下脑筋。那么,我们该怎么办呢?出路何在?且听下回分解。



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