《数学与创新思维》PPT课件.ppt

数学与创新思维 北京航空航天大学 李心灿 引言 全国科技大会指出： “创新是一个民族进步的灵魂，是国家 兴旺发达的不竭动力。一个没有创新 能力的民族难于屹立于世界民族之林 。” “建立创新型国家。” 教育部的一个报告指出： “实施素质教育重点是改变 教育观念，尤其是要以培养 学生的创新意识和创造精神为主 。” 恩格斯指出： “一个民族要想站在科学的最高峰，就一 刻也不能没有理论思维。” 创造性人才的创造活动是在相应的创造 性思维的支配下，所进行的一种积极的能 动的活动。创造性思维是一切创造活动的 核心和灵魂。 nHG格拉斯曼说：“数学除了锻 炼敏锐的理解力，发现真理外， 它还有另一个训练全面考查科学 系统的头脑的开发功能。” n赫巴特说：“数学一般通过直接激 发创造精神和活跃思维的方式来 提供最佳服务。” 因此我认为： 数学教学不但应该传授 数学知识，还应该培养 学生的创新思维。 讲五个问题 一、归纳思维 二、类比思维 三、发散思维 四、逆（反）向思维 五、（数学）猜想 我将结合高等数学和数学史上一些著名 问题来讲 一、归纳思维 归纳是人类赖以发现真理的基本的、 重要的思维方法。 著名数学家拉普拉斯指出： “ 分析和自然哲学中许多重大的发现，都归 功于归纳方法牛顿二项式定理和万有引力原 理，就是归纳方法的成果。” “在数学里， 发现真理的主要工具和手段是归纳和类比。” 著名数学家高斯曾说： “我的许多发现都是靠归纳取得的。” 著名数学家沃利斯 说：“我把（不完全的 ）归纳和类比当作一种 很好的考察方法，因为 这种方法的确使我很容 易发现一般规律” 归纳是在通过多种手段（观察、实验、分析 、计算）对许多个别事物的经验认识的基础 上，发现其规律，总结出原理或定理。归纳是从 观察到一类事物的部分对象具有某一属性，而归 纳出该事物都具有这一属性的推理方法。或者说 ，归纳思维就是要从众多的事物和现象中找出共 性和本质的东西的抽象化思维。 也可以说，归纳是在相似中发现规律，由个 别中发现一般。 从数学的发展可以看出，许多新的数学 概念、定理、法则、的形式，都经历 过积累经验的过程，从大量观察、计算 ,然后归纳出其共性和本质的东西， 例如：哥德巴赫猜想，费马猜想，素数定 理等。 归纳的方法 哥德巴赫猜想: 3+7=10， 3+17=20， 13+17=30 3，7，13，17都是奇素数*。 10， 20， 30 都是偶数。 是否两个奇素数之和都是偶数呢？ 这是显然的。但是（逆向思维） 任何一个偶数，都能分解为两个奇素数之 和吗？ 6=3+3 8=3+5 10=3+7 12=5+7 14=3+11=7+7 16=3+13=5+11 这样下去总是对的吗？即 任何一个大于4的偶数都是两个奇素数之和 ？ 大于4的偶数=奇素数+奇素数？ ( * ) （哥德巴赫猜想） 60=3+57 （57=193，不是素数） 60=5+55 （55=115，不是素数) ？！ 60=7+53（7和53都是素数） . 哥德巴赫猜想。起源，演变 哥德巴赫观察到一些具体例子， 然后归纳出 ： “任何大于2的数都是三个素数的和”。（1742.6.7 写信 给欧拉，并附上一些他观察到的例子） 欧拉（1742.6.30）回信把它进一步明确化 为： “每一偶数是两个素数的和”(*)（并说：“我认为 它正确，但给不出证明） 1770（英）华林将(*)发表出来。 现代的标准陈述是（*） 这一猜想历200多年至今仍悬而未决（1966 ，陈景润，（1+2）。 这是数学向人类智慧的挑战！ 但对此猜想的证明过程中，极大的推动了解 析数论的发展（特别是筛法，圆法） 二项式系数 (u+v)1=u+v (u+v)2=u2+2uv+v2 (u+v)3=u3+3u2v+3uv2+v3 (u+v)4=u4+4u3v+6u2v2+4uv3+v4 (u+v)5= . (u+v)n= 123456789 21111111 3123456 41361015 5141020 61515 716 81 9 帕斯卡三角形帕斯卡三角形 123456789 21111111 3123456 41361015 5141020 61515 716 81 9 帕斯卡三角形帕斯卡三角形 1 1 1 1 2 1 1 3 3 1 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1 1 6 15 20 15 6 1 宋朝数学家杨辉1261年写的详解九章算法 *就解释了上述系数三角形的构造法，并说 贾宪用此术。 杨辉三角形 在高等数学中，许多重要结果的得出，都在高等数学中，许多重要结果的得出，都 用到了归纳思维。例如：用到了归纳思维。例如： 求某一函数的 求某一函数的 n n 阶导数，通常的方法是求出阶导数，通常的方法是求出 其一阶、二阶（有时还要求出其三阶、四阶）其一阶、二阶（有时还要求出其三阶、四阶） 导数，再归纳出导数，再归纳出 n n 阶导数的表达式。阶导数的表达式。 解 从而归纳出 解 因为 因而归纳得到 又如：从一阶、二阶常系数线性齐次 微分方程通解的结构及其求解方法，可 以归纳出n 阶常系数线性齐次方程通解 的结构及其求解方法。 再如：多元函数求条件极值的拉格朗 日乘数法，从两个自变量、一个约束条 件，推广到n个自变量、m个约束条件， 也是用归纳的方法得出的。 总之：在高等数学中，有不少内容 使用了归纳思维。 科尔莫哥洛夫在 我是如何成为数学家 中说：我在6、7岁时 我已经感受到数学归纳 发现的乐趣，例如，我 注意到下边的等式： 他的这个发现，后来被刊登在春燕杂志上。 问题：考察表 按照上述算例找出它们的一般规律，并用适当 数学式子表示出来，而且试证明它。 问题：下述结论是否成立？ 二、类比思维 著名日本物理学家、诺贝尔奖获得者汤川 秀澍指出：“类比是一种创造性思维的形式。 ”著名哲学家康德指出：“每当理智缺乏可靠 论证的思路时，类比这个方法往往能指引我们 前进。” 类比是根据两个（或多个）对象内部属性 、关系的某些方面相似，而推出它们在其它方 面也可能相似的推理。 简单地说，类比就是由此去发现彼（或由 彼去发现此）。 类比为人们思维过程提供了更广阔的 “自由创造”的天地，使它成为科学研 究中非常有创造性的思维形式，从而受 到了很多著名科学家的重视与青睐。例 如： 著名天文学、数学家开普勒 说： “我珍视类比胜于任何 别的东西，它是我最可信赖的 老师它能揭示自然的奥秘 。” 著名数学家、教育学家波利亚 说：“类比是一个伟大的引路人， 求解立体几何问题往往有赖于平面 几何中的类比问题。” 在平面解析几何中直线的截距式是： 在平面解析几何中,两点的距离是： 在空间解析几何中,两点的距离是： 在空间解析几何中平面的截距式是： 在平面解析几何中圆的方程是： (x-a)2+(y-b)2=R2 在空间解析几何中球面的方程是: (x-a)2+(y-b)2+(z-c)2=R2 等等。 莱布尼茨公式 将他们比较可以看出:把中右端K次幂换成K阶导数 (零阶导数理解为函数本身),把中u+v换成uv,n 次幂换成n阶导数既为. (拉格朗日17岁) 牛顿二项式展开公式 费马猜想： X2+Y2=Z2的解：X=3, Y=4, Z=5 Z=m2+n2 , X= m2-n2 Y=2mn, m,n是任一整数，n2是否有正整数解？ n Z Z = X X + Y Y 52=32+42 Z3 = x3 + Y3 (X,Y,Z 为正整数) = z xy + 公元972年阿拉伯人阿尔科但第（Alkhodjidi) Zn = n+ Yn (n2)(Wiles 1994) 欧拉猜想：下述方程没有整数解： 没有人能够证明它是对的，但是在他提出这个猜想 之后的200年内大家都相信它是正确的. 但是在1998年，诺姆艾利克斯的举出一个反例： 后来人们又发现了一个更简单的例子： 多元函数与单元函数 在学习多元函数的微分学和积分学 时，应注意与已经学习过的一元函数的 微积分相应的概念、理论、方法进行类 比。例如： 在一元函数中，若f(x)在点x0的邻域内 （n+1）阶导数，且x为此邻域内任意一 点，则有一元函数的n阶泰勒公式： 其中 在二元函数中，若f(x, y)在点(x0,y0)的邻 域内有（n+1）阶连续偏导数，且 (x=x0+h,y=y0+k)为此邻域内任意一点，则 有二元函数的n阶泰勒公式： 大家可以将上述一元函数的n阶泰勒公式 与二元函数的n阶泰勒公式进行类比（包括 它们成立的条件和公式的结构与形式）。 又如，在学完了积分学后应将定积分、 二重积分、三重积分、曲线积分、曲面积分 进行类比，包括它们的定义、性质、计算方 法、物理意义、等。 特别应该将牛顿莱布尼茨公式、格林 公式、高斯公式、斯托克斯公式进行类比。 若将牛顿莱布尼茨公式 视为，它建立了一元函数f(x)在一个区间的 定积分与其原函数F(x)在区间边界的值之间的 联系； 通过类比，就可将格林公式 视为，它建立了二元函数在一个平面区域D 上的二重积分与其“原函数”在区域边界L的 曲线积分之间的联系； 通过类比，就可将高斯公式 视为，它建立了三元函数在一个空间区域 上的三重积分与其“原函数”在区域边界 曲面S上的曲面积分之间的联系； 通过类比，就可将斯托克斯公式 视为，它建立了三元函数在一个空间曲面S 上的曲面积分与其“原函数”在区域边界曲线L上 的曲线积分之间的联系。 若引入“外微分运算”，就可将格林公 式、高斯公式和斯托克斯公式都看作牛顿- 莱布尼茨公式的高维推广. 并都可以用一个 简单的形式统一表示为 实践证明：在学习过程中，将新内容 与自己已经熟悉的知识。进行类比，不但 易于接受、理解、掌握新知识，更重要的 是：培养、锻炼了自己的类比思维，有利 于开发自己的创造力。（费马猜想） 三、发散思维 所谓具有发散特性的思维是指信息处理 的途径灵活多变，求结果的丰富多样。它 是一种开放性的立体思维，即围绕某一问 题，沿着不同方向去思考探索，重组眼前 的信息和记忆中的信息，产生新的信息并 获得解决问题的多种方案。因此，也把发 散思维称为求异思维。它是一种重要的创 造性思维。 用“一题多解”，“一题多变”等方 式，发散式地思考问题。 数学王子数学王子高斯高斯 高斯被誉为：“ 能从九霄云外的高度 按某种观点掌握星空 和深奥数学的天才” 和“数学王子”。 特别是高斯非常重视培养自己的发 散思维，并且善于运用发散思维。他非 常重视“一题多解”、“一题多变”。 例如：他对代数基本定理，先 后 给出了4种不同的证明；他对数论中的 二次互反律，先后给出了8种不同 的证明（高斯称二次互反律是数论 中的一块宝石，数论的酵母，是黄金定 理）。 欧拉 勒让德 第一个证明是用归纳法； 第二个证明是用二次型理论； 第三个和第五个证明是用高斯引理； 第四个证明是用高斯和； 第六个和第七个证明是用分圆理论； 第八个证明是用高次幂剩余理论。 他的每一种证明思路都导致数论的新方向。其 后19世纪多位数论大家如狄里克雷、雅可比、 艾森斯坦、库默、戴德金、希尔伯特等人都给 出了新的证明并发展了该理论。 有人曾问高斯：“你为什么能对数学 作出那样多的发现？”高斯答道：“假 如别人和我一样深刻和持久地思考数学 真理，他也会作出同样的发现。” 高斯还说：“绝对不能以为获得一个 证明以后，研究便告结束，或把另外的 证明当作多余的奢侈品。” “有时候一开始你没有得到最简和最 美妙的证明，但恰恰在寻求这样的证明 中才能深入到真理的奇妙联想中去。这 正是吸引我去继续研究的主动力，并且 最能使我们有所发现。”高斯这些言行 ，很值得我们学习和深思。 因此，我们在高等数学教学中，应利 用一题多解、一题多变来培养训练发散 思维，下边我们举几个例子： 一题多解：计算 解法：解法： 第一类换元积分法 一题多解：计算一题多解：计算 解法：解法： 第一类换元积分法 一题多解：计算一题多解：计算 解法：解法： 第一类换元积分法 一题多解：计算一题多解：计算 解法：令解法：令 第一类换元积分法 一题多解：计算一题多解：计算 解法：令解法：令 第二类换元积分法 一题多解：计算一题多解：计算 解法：解法： 令令 第二类换元积分法 一题多解：计算一题多解：计算 解法：解法： 分部积分法和第一类换元积分法 一题多解：计算一题多解：计算 解法：解法： 分部积分法和 第一类换元积分法 一题多解：计算一题多解：计算 解法：欧拉代换法，令解法：欧拉代换法，令 一题多解：计算一题多解：计算 解法解法1010：欧拉代换法，令：欧拉代换法，令 通过计算这一个题目，不但使用了多 种计算不定积分的方法，把不定积分法学 活了，更重要的是培养、训练了发散式思 考问题的思维方法. 又如：求极限 n可以用极限 n用三角公式变形； n用洛必达法则； n用无究小量的代换； n 用泰勒公式； 等等。 又如：证明不等式又如：证明不等式 l可以用函数单调性； l用中值定理； l 用泰勒公式； 等等。 一题多变： 得知它是全微分方程，从而用全微分方 程的解法求出其通解； 求微分方程求微分方程 通解通解 变形为：变形为： 由于：由于： 一题多变： 求微分方程求微分方程 通解通解 变形为：变形为： 得知它是齐次微分方程，从而用齐次微 分方程的解法求出其通解； 一题多变： 求微分方程求微分方程 通解通解 变形为：变形为： 发现它是伯努利方程，从而令发现它是伯努利方程，从而令z = yz = y2 2， ，化 为线性微分方程，然后用线性微分方程的解 法求出其通解。 高等数学一题多解200例选编 （产品：手表、收音机、电视机等） 四、逆向思维四、逆向思维 一位老太太有两个女儿。大女儿嫁给雨 伞店老板，小女儿当了洗衣作坊的女主管。 于是，老太太整天忧心忡忡，逢上雨天，她 担心洗衣作坊的衣服晾不干；逢上晴天，她 怕伞店的雨伞卖不出去，日子过得很忧郁。 后来有一位聪明的人劝她：老太太，你 真好福气，下雨天，你大女儿家生意兴隆； 大晴天，你小女儿家顾客盈门，哪一天你都 有好消息啊。这么一说，老太太生活的色 彩竟焕然一新。 一则小 故事: 逆向思维（又称反向思维）是相对于 习惯性思维的另一种思维形式。它的基 本特点是从已有的思路的反方向去思考 问题。它对解放思想、开阔思路、解决 某些难题、开创新的方向，往往能起到 积极的作用。 （1）如果遇到某些问题顺推不行，可以考虑 逆推。 （2）如果遇到某些问题直接解决困难，想法 间接 解决。 （3）正命题研究过后，研究逆命题。 （4）探讨可能性发生困难时，转而探讨不可 能性。 下面举几个高等数学中的例子: 求解微分方程： 若将 x 视为自变量，y 视为未知函数，解此方 程就比较困难。因为它既不是可分离变量方程 ，也不是齐次方程，也不是全微分方程，也不 是线性方程和伯努里方程。 但是，如果利用逆向思维，即反过来将 x 视为 未知函数, y 视为自变量，将方程变为 它就是未知函数x 的线性微分方程。很容易 求出其通解。 ) 1( 2 1 22 2 Ceyex yy +-= - 若直接解决困难， 想法间接解决。 例1： 试求 解法：用间接的方法，即转化为判断级数 级数收敛的必要条件是通项趋向于零，于是 解法:利用夹逼定理 例3：将y=xarctanx展成x的幂级数。 若用直接方法，先得求出此函数的各阶导数， 还得讨论余项Rn(x)。 若用间接方法，就很简便。 探讨可能性发生困难时，转而探讨不可能 性。 下面我们例举数学史上两个最有名的问 题： 关于非欧几何的发现关于非欧几何的发现 欧几里得几何原本第一卷中给出 了五个公设，其中前四个简单明了，（前 三个是作图的规定，第四个是“凡直角都 相等”），符合亚里士多德公理“自明性 ”的要求，唯独第五公设不仅文字啰嗦， 而且所肯定的事实也不明显。 而且只有第5公设涉及到无限, 这是人们经验之外的东西. 此公设是“ 若一直线和两条 直线相交，所构 成的两同旁内角 之和小于两直角 ，那么把这两直 线延长，它们一 定在两内角的一 侧相交”。 这公设等价于：“在平面上，过 直线外一点，只能作一条直线与这 条直线平行”。 欧 当两条直线相交于非常遥远的地方时 ，就无法判断这两条直线是否平行，因此 不具有直观的明显性。因此没有得到公认 ，于是就有人提出来把它作为定理来证明 。但是许多数学家经历了2000多年都以失 败告终，他们不是证明有错误，就是用另 一条等价的公理代替了第五公设。 达朗贝尔曾把第五公设的证明称为“几何原理中 的家丑”。 直到19世纪初，数学家们着手研究它的 反问题欧几里得第五公设不可证。特 别是德国的高斯、匈牙利的鲍耶、俄国的 罗巴切夫斯基他们各自总结了前人和自己 试证第五公设的失败教训。 高斯 (1799,1813) 罗巴切夫斯基 (1826,1829) 鲍耶 （1832） 罗巴切夫斯基把欧氏几何的命题按是 否依赖于第五公设（平行公设）分为两部 分： 不依赖于第 五公设得到证明 的命题（绝对几 何）。 依赖于第五 公设才能证明的 命题。 “在一个平面上，过直线AB外一点至少可以作一条直线与 AB不相交”。 1. 仅可作一条（第五公设） 欧氏几何； 2. 可作不止一条，若能由此推出与绝对几何定理相矛盾的 命题，这就无异于证明了第五公设。 可是他不但没有发现任何矛盾，反而推导出了一连串奇妙 的结果，构成了逻辑上既无矛盾，又与绝对几何不相冲突，但 又和欧氏几何不同的新的几何体系。 他们首先肯定了欧几里得第五公设是 不能用其它公理作出证明，然后用一个 与它相反的命题来代替它。即“在平面 上，过直线外一点至少可引两条直线与 已知直线平行。” 罗 从而建立了一种与欧几里得不同的新 的几何体系。 高斯称之为“反欧几里得几何” 罗巴切夫斯基称之为“想象的几何” 后他又称之为“泛几何” 今天称之为罗巴切夫斯基几何（又称 双曲几何）。 后来德国数学家黎曼用一个既与 欧几里德第五公设的命题相反又与罗 巴切夫斯基平行公理相反的命题来代 替它们，即“在平面上，过直线外一 点不可能引一直线与已知直线平行” 。 黎 从而建立了一种与 欧几里得几何、罗巴切 夫斯基几何都不同的新 的几何体系，现称为“ 黎曼几何”（又称椭圆 几何）。 现在人们把“罗巴切夫斯基几何与黎曼 几何统称为“非欧几里得几何”。 黎曼 (1854) 2020世纪伟大的数学家希世纪伟大的数学家希 尔伯特指出尔伯特指出: : “19世纪最富启 发性和最值得注意的成就是 非欧几里得几何的发现”。 非欧几里得几何的创立是几何学上的革命 ，它不仅使数学家大开眼界，引起一些重要 数学分支的产生，它的重要意义还在于使数 学哲学的研究进入一个崭新的历史时期，它 使人们对空间的认识更深刻，更完全了。例 如，它对爱因斯坦的相对论提供了最合适的 数学工具。因此许多人采用非欧几何学作为 宇宙的几何模型。(太平洋) 欧几里得： 三角形内角和 = 两直角 , 2r=c ， a2+b2=c2 罗巴切夫斯基：三角形内角和 两直角 , 2rc ，a2+b2c2 后来许多几何理论都建立在改变和推广欧 几里得几何概念的基础之上。例如：1844年格 拉斯曼建立的n维仿射空间和度量空间几何。 1871年克来因 关于五次及五次以上代数方关于五次及五次以上代数方 程根式求解问题程根式求解问题 在16世纪之前，数学家们就成功地找到 了一般的一次、二次、三次、四次以及某些 特殊的五次及五次以上代数方程的根式解法 。如： 那么，一般五次及五次以上的代数方程是 否也存在根式解法呢？ 这个问题吸引着众多的数学家，他们相信 这种解法一定存在，包括：卡当（Cardano ）、韦达(Viete)、笛卡儿、牛顿、莱布尼茨 、拉格朗日等等，但相继经历了两百多年的 努力都未能找到解法。 韦达拉格朗日 经过无数次的失败之 后,直到19世纪初，一些数 学家产生了逆向思维：首 先是鲁非尼（Ruffini）和 拉格朗日，接着是阿贝尔 (Abel)，把问题的提法倒 了过来，去思考它的反问 题：一般五次及五次以上 的方程不存在根式求解法 。 阿贝尔 (Abel) 阿贝尔从这种逆向思维出发，终于 严格地证明了：一般五次及五次以上的方 程不能用根式求解，不但彻底解决了这桩 历史悬案，并且进而开创了近世代数方程 的研究道路，包括群论和方程的超越函数 解法。 几何的三大难题： 1. 三等分任意角; 2. 化圆为方; 3. 倍立方. ( 只用圆规、直尺) 逆向思维的基本特点逆向思维的基本特点 从已有思路的反方向去思考问题。顺推不 行，考虑逆推；直接解决不行，想办法间接 解决;正命题研究过后，研究逆命题；探讨 可能发生困难时，考虑探讨不可能性。它有 利于克服思维定势的保守性，它对解放思想 、开阔思路、发现新生事物，开辟新的方向 ，往往能起到积极作用。 例如： 毒蛇、蝎子都令人生畏，但有人 大胆地逆向思考，提出了以毒攻毒，结果 制成了许多珍贵的药品。 英国医师琴纳(Jener)发现牛痘能 够预防天花，实际上也是使用了逆向思维 。 “围魏救赵” (“36计”中的第2计) 桂陵（今长垣县西