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高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)(全3卷)(啟蒙數(shù)學(xué)文化譯叢)
《高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)》是具有世界影響的數(shù)學(xué)教育經(jīng)典,由菲利克斯??克萊因根據(jù)自己在哥廷根大學(xué)為中學(xué)數(shù)學(xué)教師及學(xué)生開(kāi)設(shè)的講座所撰寫,書(shū)中充滿了他對(duì)數(shù)學(xué)教育的洞見(jiàn),生動(dòng)地展示了一流大師的風(fēng)采。本書(shū)出版后被譯成多種文字,影響至今不衰, 對(duì)我國(guó)數(shù)學(xué)教育工作者和數(shù)學(xué)研習(xí)者很有啟發(fā)。
《高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)》共分為三卷——第一卷“算術(shù)、代數(shù)、分析”,第二卷“幾何”,第三卷“精確數(shù)學(xué)與近似數(shù)學(xué)”。 這套被譽(yù)為“數(shù)學(xué)教育的圣經(jīng)”的著作,是偉大的數(shù)學(xué)教育家、哥廷根數(shù)學(xué)學(xué)派領(lǐng)袖的不朽經(jīng)典,值得每一位數(shù)學(xué)教師精心研讀。菲利克斯??克萊因是杰出的數(shù)學(xué)家、熱忱的愛(ài)國(guó)者,具有非凡的科學(xué)洞見(jiàn)、天才的組織能力,中國(guó)尤其缺少這樣的人物。
博洽內(nèi)容 獨(dú)特風(fēng)格
——《高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)》導(dǎo)讀 吳大任 (一)書(shū)和作者簡(jiǎn)介 德國(guó)數(shù)學(xué)家F.克萊因的名著《高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)》(以下簡(jiǎn)稱《初等數(shù)學(xué)》)已由舒湘芹等同志譯就,將由湖北教育出版社出版!俺醯葦(shù)學(xué)”指當(dāng)時(shí)德國(guó)中小學(xué)的數(shù)學(xué),難度比我國(guó)中小學(xué)數(shù)學(xué)略高。本書(shū)曾由湖北教育出版社于20世紀(jì)90年代初出版。——編者中譯本出版,必將受到我國(guó)中青年教師和廣大數(shù)學(xué)工作者的歡迎,對(duì)我國(guó)各級(jí)學(xué)校的數(shù)學(xué)教育也將產(chǎn)生巨大作用。 F.克萊因(1849—1925)是有深遠(yuǎn)影響的數(shù)學(xué)家。他的貢獻(xiàn)遍及幾何、代數(shù)、函數(shù)論、理論物理以及數(shù)學(xué)史等,在這些領(lǐng)域,他都留下了經(jīng)典性著作。他是權(quán)威性的德國(guó)《數(shù)學(xué)百科全書(shū)》的主創(chuàng)者之一,曾任最高水平的德國(guó)《數(shù)學(xué)年刊》的主編,致力于這兩項(xiàng)事業(yè)達(dá)四十春秋。他熱誠(chéng)地獻(xiàn)身于數(shù)學(xué)教育及其改革,是促進(jìn)數(shù)學(xué)教育國(guó)際委員會(huì)創(chuàng)始人之一,并始終積極參與其中的活動(dòng)。他著述《初等數(shù)學(xué)》這樣的書(shū),真可謂出色當(dāng)行,游刃有余,得心應(yīng)手。這書(shū)內(nèi)容十分博洽,而論述生動(dòng)活潑,不拘一格,把嚴(yán)謹(jǐn)性和直觀性巧妙結(jié)合,深入淺出,使讀者有舉重若輕、左右逢源之感。 《初等數(shù)學(xué)》由F.克萊因的助手根據(jù)他在哥廷根大學(xué)講課內(nèi)容整理而成,分上下兩卷。上卷“算術(shù) 代數(shù) 分析”(第三版)于1924年出版;下卷“幾何”于1925年出版;英譯本于1939年出版。本書(shū)最終版共三卷,可參看本卷第三版序及第三卷譯者的話、第三版序!幷60多年過(guò)去,數(shù)學(xué)面貌已有很大變化,我國(guó)目前的數(shù)學(xué)教育和德國(guó)當(dāng)年也有很大差異。我們閱讀這書(shū)時(shí),對(duì)此必須注意。盡管如此,我們讀來(lái),對(duì)其內(nèi)容和觀點(diǎn),仍然感到十分親切。這是因?yàn)椋鋬?nèi)容主要是基礎(chǔ)數(shù)學(xué),其觀點(diǎn)蘊(yùn)含著真理。當(dāng)時(shí)德國(guó)數(shù)學(xué)教育中的不少問(wèn)題,在今日我國(guó)仍然存在?巳R因聲稱本書(shū)是為中學(xué)教師和成熟的大學(xué)生寫的,但按其內(nèi)容,所有對(duì)數(shù)學(xué)有一定了解的人都可以從中獲得教益和啟發(fā)。 數(shù)學(xué)科學(xué)的整體性和數(shù)學(xué)教育的連續(xù)性 要想用一兩句話來(lái)概括《初等數(shù)學(xué)》這本豐富多彩的書(shū)的特色,是困難的。也許可以說(shuō):它所展示的數(shù)學(xué)科學(xué),是一個(gè)不斷發(fā)展著的有機(jī)整體;克萊因所設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)教育,是一個(gè)隨著數(shù)學(xué)發(fā)展而不斷更新的連續(xù)過(guò)程。正如書(shū)名《高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)》所示,書(shū)的著眼點(diǎn)是初等數(shù)學(xué),觀點(diǎn)卻是高等數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)各個(gè)分支,特別是數(shù)學(xué)兩個(gè)基本對(duì)象——形與數(shù)結(jié)合起來(lái)了。講算術(shù)、代數(shù)、分析時(shí),總是充分運(yùn)用豐富的幾何圖像。而講幾何時(shí),用的是代數(shù)工具,又不乏幾何語(yǔ)言。它還以大量篇幅闡述數(shù)學(xué)的各種概念和方法的發(fā)展與完善過(guò)程以及數(shù)學(xué)教育演化的經(jīng)過(guò)。這些進(jìn)程還在繼續(xù)。 以下試對(duì)《初等數(shù)學(xué)》的若干具體特色作些介紹。 (二)《初等數(shù)學(xué)》若干特色 高觀點(diǎn) 在《初等數(shù)學(xué)》的前言中,克萊因指出大學(xué)和中學(xué)數(shù)學(xué)教育的“雙脫節(jié)”現(xiàn)象:大學(xué)生感到,他正在學(xué)的東西和中學(xué)學(xué)過(guò)的無(wú)關(guān),而當(dāng)他們到中學(xué)任教時(shí),大學(xué)所學(xué)的用不上,因而那些內(nèi)容就只存在于美好的記憶中。本書(shū)的直接目的自然是要改變這種不合理現(xiàn)象,以便把數(shù)學(xué)的新進(jìn)展中所產(chǎn)生的新觀念滲入中學(xué)數(shù)學(xué)教育中,按我們現(xiàn)在的說(shuō)法,就是使數(shù)學(xué)教育“現(xiàn)代化”。 克萊因所采用的書(shū)名表明,他認(rèn)為教師應(yīng)具備較高的數(shù)學(xué)觀點(diǎn)。理由是,觀點(diǎn)越高,事物越顯得簡(jiǎn)單。例如在實(shí)數(shù)域里不好理解的某些東西,從復(fù)數(shù)域的觀點(diǎn)看,就清楚了;在歐氏空間里某些不好解釋的現(xiàn)象,從射影空間的觀點(diǎn)看,就有滿意的說(shuō)明。下面分別舉兩個(gè)具體的例子。 克萊因指出,在中學(xué),關(guān)于對(duì)數(shù)的傳統(tǒng)講法是有明顯漏洞的。他建議把對(duì)數(shù)函數(shù)作為等角雙曲線下的面積來(lái)引進(jìn),既簡(jiǎn)單又明確。他又指出,在復(fù)數(shù)域里,對(duì)數(shù)是多值函數(shù),作為實(shí)函數(shù)的對(duì)數(shù)只是其中無(wú)數(shù)多個(gè)值之一。所以,在復(fù)數(shù)域里,對(duì)數(shù)函數(shù)的本質(zhì)才看得清楚。我們的教師,無(wú)論是否愿意(或可能)采納克萊因所建議的引進(jìn)對(duì)數(shù)方式,有一點(diǎn)是可以肯定的:如果他了解作為復(fù)數(shù)的對(duì)數(shù)函數(shù),當(dāng)他講實(shí)數(shù)時(shí),就會(huì)心中有數(shù),有可能彌補(bǔ)漏洞,至少當(dāng)學(xué)生提出疑問(wèn)時(shí),他能正確回答,應(yīng)付裕如。 通過(guò)變換群來(lái)闡明不同幾何的本質(zhì)及其相互關(guān)系,本是克萊因的偉大創(chuàng)見(jiàn)之一。《初等數(shù)學(xué)》用了很大篇幅來(lái)論述歐氏幾何、仿射幾何和射影幾何的關(guān)系。我認(rèn)為,中學(xué)幾何是歐氏幾何,但也涉及圖形的仿射性質(zhì)(如三角形的重心)和射影性質(zhì)(如三點(diǎn)共線)。如果教師能區(qū)別各種性質(zhì),在教學(xué)中自然是有利的?巳R因舉了一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明局限在歐氏空間就不好理解的現(xiàn)象:兩個(gè)二階曲面一般相交于一條四階曲線,但兩個(gè)球面(二階曲面)一般只相交于一個(gè)(實(shí)的或虛的)圓(二階曲線)。原來(lái),從射影空間觀點(diǎn)看,可以認(rèn)為,兩個(gè)球面還相交于“無(wú)窮遠(yuǎn)虛圓”,而兩個(gè)圓在一起,恰好構(gòu)成一條(退化的)四階曲線。 教師應(yīng)是多面手 克萊因?qū)處煹囊笫呛芨叩。《初等?shù)學(xué)》涉及的面很廣。除正文4大部分外,還有兩個(gè)附錄:“數(shù)e和π的超越性”和“集合論”。每一大部分的寫法和通常寫法都很不相同,且其內(nèi)容有不少超出通常寫法的習(xí)慣范圍。例如在“算術(shù)”部分寫了四元數(shù);在“幾何”部分寫了高維(以至無(wú)窮維)空間,并且隨時(shí)講到歷史和應(yīng)用。顯然,克萊因認(rèn)為,教師對(duì)這些都應(yīng)當(dāng)掌握或了解。他認(rèn)為,大學(xué)生學(xué)到的具體東西不少,而許多重要的,以及在中學(xué)任教中用得著的東西卻往往被忽視了!冻醯葦(shù)學(xué)》就著眼于彌補(bǔ)這些缺憾,揭示數(shù)學(xué)各部分之間的聯(lián)系,指出它們的共性,它們產(chǎn)生與成長(zhǎng)的內(nèi)因、外因和過(guò)程以及它們的應(yīng)用,等等?巳R因認(rèn)為,教師掌握的知識(shí)要比他所教的多得多,才能引導(dǎo)學(xué)生繞過(guò)懸?guī)r,渡過(guò)險(xiǎn)灘。他喜歡用“融合”這個(gè)詞!冻醯葦(shù)學(xué)》也確實(shí)體現(xiàn)了初等數(shù)學(xué)同高等數(shù)學(xué)的融合,數(shù)學(xué)各部分的融合,幾何觀念和算術(shù)觀念在這里以及許多其他地方,“算術(shù)”是廣義的,用來(lái)表示純幾何的對(duì)立面,包括代數(shù)和分析。的融合,感性與理性的融合(甚至一維、二維、三維空間的融合),等等。可以認(rèn)為,全書(shū)是以上各種融合的融合。強(qiáng)調(diào)這一切,是為了使大學(xué)生和教師對(duì)數(shù)學(xué)有較全面的觀點(diǎn),有較高的修養(yǎng)。 數(shù)學(xué)發(fā)展的歷史 克萊因反復(fù)強(qiáng)調(diào)的一個(gè)教育原則是按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律(包括年齡及成熟程度)進(jìn)行教學(xué)。具體地說(shuō),要由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,由低到高,由感性到理性等。他講數(shù)學(xué)歷史,是因?yàn),他認(rèn)為學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)的認(rèn)識(shí),在某種意義上,是與人類對(duì)數(shù)學(xué)認(rèn)知的歷史過(guò)程相應(yīng)的。當(dāng)然,這絕不是說(shuō),學(xué)生的認(rèn)知要重復(fù)歷史上人類的認(rèn)知。 在講述數(shù)學(xué)的歷史時(shí),克萊因強(qiáng)調(diào)對(duì)事物認(rèn)識(shí)深化的必然性(這不排除偶然性)。某些新概念的出現(xiàn),是由于客觀條件已經(jīng)成熟而非產(chǎn)生不可。例如他指出,負(fù)數(shù)和復(fù)數(shù)的出現(xiàn),是不以數(shù)學(xué)家的意志為轉(zhuǎn)移的。非歐幾何產(chǎn)生后,許多數(shù)學(xué)家是被迫承認(rèn)它的。微積分由粗糙到嚴(yán)格,有著艱辛的歷程。函數(shù)概念和幾何對(duì)象范疇等的演化,都有過(guò)漫長(zhǎng)的過(guò)程。我以為,了解一些歷史是很有意義的;我們的課程往往分別構(gòu)成首尾完整的邏輯體系。學(xué)生在學(xué)習(xí)中很難充分領(lǐng)會(huì)到數(shù)學(xué)是如何逐步成長(zhǎng)起來(lái),它又將如何繼續(xù)發(fā)展。 公理體系 《初等數(shù)學(xué)》多處談到公理體系,特別是關(guān)于數(shù)的公理和幾何公理?巳R因認(rèn)為,公理不能脫離直覺(jué),不能排除人對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)。因而反對(duì)那樣一種觀點(diǎn):認(rèn)為公理可以隨心所欲地選取,只要它們彼此相容,即不產(chǎn)生矛盾就可以了。他還認(rèn)為,不能按照公理體系進(jìn)行教學(xué)。因?yàn)檫@首先不符合學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律。邏輯不是數(shù)學(xué)教學(xué)中的唯一指導(dǎo)思想。此外,他還有一個(gè)更深刻的理由。他把數(shù)學(xué)比作一棵樹(shù),公理比作樹(shù)的根,當(dāng)樹(shù)逐漸長(zhǎng)大時(shí),軀干和枝葉向上長(zhǎng),同時(shí)根也向下長(zhǎng)。因此既沒(méi)有最后的終點(diǎn),也沒(méi)有最初的始點(diǎn),即沒(méi)有進(jìn)行教學(xué)的絕對(duì)基礎(chǔ)。至于教師,之所以要了解公理對(duì)數(shù)學(xué)的作用和意義,則是和他對(duì)教師的要求一致的;公理體系在數(shù)學(xué)作為一個(gè)演繹的邏輯結(jié)構(gòu)中,畢竟占有極其重要的地位,不了解它就不能了解數(shù)學(xué)的本質(zhì)和全貌。而在教學(xué)中,教師固然要考慮大多數(shù)學(xué)生的興趣和接受能力,同時(shí)他又應(yīng)能滿足一些才華出眾的學(xué)生的求知欲望,適當(dāng)?shù)鼗卮鹚麄兛赡芴岢龅膯?wèn)題。 尺規(guī)作圖和費(fèi)馬大定理 這兩個(gè)問(wèn)題在《初等數(shù)學(xué)》中并不占重要位置,但克萊因?qū)λ鼈兊膸拙渚僮h論,卻可以用來(lái)作為對(duì)我們?cè)S多青少年學(xué)生和業(yè)余數(shù)學(xué)愛(ài)好者的忠告!冻醯葦(shù)學(xué)》較詳細(xì)地討論了用圓規(guī)和直尺作圖問(wèn)題。在談到三等分角問(wèn)題即只用直尺和圓規(guī)把一個(gè)任意給定的角分為三等分的問(wèn)題,是所謂“幾何三大問(wèn)題”之一,另外兩個(gè)問(wèn)題是“化圓為方”和“倍立方”。它們是古老的課題,但早已證明都是不可能的。化圓為方問(wèn)題同圓周率的超越性有關(guān),其他兩問(wèn)題之不可能是用算術(shù)方法來(lái)證明的。時(shí),克萊因指出:許多人拿出自己的“解法”,希望別人指出錯(cuò)誤所在,但他們的知識(shí)基本上限于初等幾何,又不肯去了解利用算術(shù)方法早已作出的不可能性證明。為了使讀者對(duì)這種算術(shù)證明有所了解,以便當(dāng)他們接到送來(lái)的“解法”時(shí),能站穩(wěn)腳跟,他給出了用直尺和圓規(guī)不可能作正七邊形的證明。 費(fèi)馬大定理最近幾年才有了重大突破,但尚未最后解決。費(fèi)馬大定理已由英國(guó)數(shù)學(xué)家安德魯??懷爾斯于1994年證明!幷摺冻醯葦(shù)學(xué)》對(duì)這個(gè)“定理”的含義有個(gè)十分有趣的圖解,對(duì)它的歷史直到克萊因時(shí)代的研究狀況有簡(jiǎn)明的介紹?巳R因指出,自從1907年人們獲悉解答這問(wèn)題(即證明或否定費(fèi)馬大定理)的人會(huì)得到高額獎(jiǎng)金后,就出現(xiàn)了大量的“證明”。這些人屬于各行各業(yè),但他們有一個(gè)共同點(diǎn):完全不了解探索這個(gè)問(wèn)題所遇到的嚴(yán)重?cái)?shù)學(xué)困難,也不想去了解困難所在,只妄想靠突發(fā)的靈感就一下子加以解決。他們的結(jié)果當(dāng)然是毫無(wú)意義的。 (三)對(duì)我們的啟發(fā) 以上對(duì)《初等數(shù)學(xué)》的管窺蠡測(cè),不求全面,但求無(wú)大錯(cuò),可告無(wú)罪于該書(shū)作者和本文讀者。下面結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀,談幾點(diǎn)個(gè)人淺見(jiàn),統(tǒng)請(qǐng)高明指教。 中學(xué)數(shù)學(xué)教師的提高方向 許多統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明,我國(guó)中小學(xué)教師中有很大百分比沒(méi)有達(dá)到教育領(lǐng)導(dǎo)部門所規(guī)定的最低業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。這里不談這些現(xiàn)象存在的根本原因(如教育投資長(zhǎng)期太少,教師待遇過(guò)低),只談教師提高的方向。我以為,拓廣教師的知識(shí)領(lǐng)域,提高他們的教學(xué)修養(yǎng),是當(dāng)務(wù)之急。為此,一個(gè)非常重要的策略是,必須把教師從“題!敝薪饷摮鰜(lái)。不少教師抱怨,經(jīng)常要花大量時(shí)間和精力去搜集習(xí)題,把解題方法分類,編寫習(xí)題解答,等等,根本顧不上進(jìn)修。而不那樣做,四面八方又不諒解。教師的這種苦衷,了解的人恐怕不多。事實(shí)上,“題海戰(zhàn)術(shù)”對(duì)廣大學(xué)生也是利少弊多。用各種方式幫助現(xiàn)有中小學(xué)教師提高,高等學(xué)校有責(zé)任,也有余力。在中小學(xué)教師大半已達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)有所提高。 初等數(shù)學(xué)教育現(xiàn)代化問(wèn)題 若干年前,許多國(guó)家進(jìn)行過(guò)數(shù)學(xué)教育現(xiàn)代化的研究和試驗(yàn)。現(xiàn)在談?wù)撍娜怂坪跎傩┝。我以為,?wèn)題不在于要不要現(xiàn)代化,而在于如何現(xiàn)代化。有一條原則是必須堅(jiān)持的,即要按學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律進(jìn)行教學(xué)。用現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識(shí)武裝中學(xué)教師,是初等數(shù)學(xué)教育現(xiàn)代化的前提。 大學(xué)數(shù)學(xué)系的任務(wù) 師范院校要面向中學(xué)的原則已經(jīng)定下來(lái)了,“向綜合大學(xué)看齊”的傾向也已經(jīng)改過(guò)來(lái)。其實(shí),我以為,師范院校只要注意保持“師范”特色,綜合大學(xué)數(shù)學(xué)系的課,師范院校也可以開(kāi)設(shè)。我說(shuō)的是“可以”,不是“全部必須”。因?yàn)橹袑W(xué)教師掌握這些課的內(nèi)容有好處。至于綜合大學(xué)數(shù)學(xué)系畢業(yè)生也可以(甚至必須)有一定比例到中學(xué)任教。那種認(rèn)為綜合大學(xué)畢業(yè)生到中學(xué)教書(shū)是“大材小用”的說(shuō)法,是站不住腳的。為什么大學(xué)生和研究生報(bào)名當(dāng)旅館服務(wù)員就不算“大材小用”?在許多國(guó)家,師范院校以外的大學(xué)畢業(yè)生還要通過(guò)教育課程的考試才能取得中學(xué)教師的資格呢。可見(jiàn)問(wèn)題的根本在于教師的待遇。 大學(xué)數(shù)學(xué)教育的改革 大學(xué)數(shù)學(xué)教育也大有改革余地。例如必修課分量偏重,“上層建筑”要求偏高,基礎(chǔ)不全不牢等,都不利于人才的健康成長(zhǎng);在大量招收研究生后更是如此。在這里,我只著重談?wù)剮缀涡蜗髥?wèn)題。許多數(shù)學(xué)大師都強(qiáng)調(diào)形與數(shù)的統(tǒng)一。希爾伯特說(shuō)過(guò):“算術(shù)記號(hào)是寫下來(lái)的圖形,幾何圖形是畫(huà)下來(lái)的公式!笨巳R因認(rèn)為,幾何基礎(chǔ)可能要以算術(shù)為起點(diǎn),卻不能脫離幾何直觀;而且他講算術(shù)問(wèn)題時(shí),總要結(jié)合幾何圖像。他們的觀點(diǎn)是完全一致的。問(wèn)題是,在我們的高等數(shù)學(xué)教育中,幾何形象被嚴(yán)重忽視了。作為基礎(chǔ)課的解析幾何已不能保持最低限度的分量。許多代數(shù)和分析課強(qiáng)調(diào)自我演繹體系,從邏輯和審美觀點(diǎn)看很好,缺點(diǎn)是形與數(shù)固有的內(nèi)在聯(lián)系割斷了。純幾何的演繹體系似乎已逐漸成為歷史,為幾何、算術(shù)、代數(shù)所取代,但也不能因此而拋棄幾何直覺(jué)。另一個(gè)問(wèn)題是,我們很少對(duì)學(xué)生介紹數(shù)學(xué)發(fā)展的歷史。在這兩方面,我認(rèn)為綜合大學(xué)有不少地方可以向師范院校學(xué)習(xí)。我們并不需要在綜合大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)恢復(fù)50年代作為必修課的幾何基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)史,但可以通過(guò)改革教學(xué)內(nèi)容和方法來(lái)達(dá)到加強(qiáng)幾何形象的目的。當(dāng)然,這涉及教師的培養(yǎng)與提高問(wèn)題。 善于數(shù)學(xué)的“熱門課題” 在我國(guó)青少年學(xué)生和業(yè)余數(shù)學(xué)愛(ài)好者中,“幾何三大問(wèn)題”(主要是三等分角問(wèn)題)和費(fèi)馬大定理(以及哥德巴赫問(wèn)題)都是(或曾經(jīng)是)“熱門課題”,但他們“研究”的質(zhì)量似乎比克萊因時(shí)代的德國(guó)還低。其實(shí)前者已證明為不可能,后者即使在數(shù)學(xué)界也只是“熱門話題”而不是“熱門課題”。它們?cè)谖覈?guó)某些人中之所以成為“熱門”,部分原因是他們片面理解“解放思想”,更重要的是我們宣傳教育不夠,我們希望教師們能做這些人的工作。對(duì)于執(zhí)著要搞這兩類問(wèn)題的人,在肯定其精神可嘉之余,要教育他們尊重科學(xué),實(shí)事求是,適當(dāng)?shù)叵蛩麄儭皾娎渌保还膭?lì)學(xué)生打好基礎(chǔ),鼓勵(lì)業(yè)余數(shù)學(xué)愛(ài)好者把精力和時(shí)間用于更能發(fā)揮自己專長(zhǎng)的地方。 一點(diǎn)希望 希望我國(guó)有更多人像克萊因那樣關(guān)心數(shù)學(xué)教師的培養(yǎng)與提高,關(guān)心數(shù)學(xué)教育改革,并為此做些實(shí)事。《初等數(shù)學(xué)》中譯版的現(xiàn)實(shí)意義就在于,它將促進(jìn)這兩方面工作的進(jìn)程。但是德文本出版已過(guò)了64年,英譯本出版也過(guò)了50年。現(xiàn)代數(shù)學(xué)已發(fā)生了極大變化,新成果、新概念、新觀點(diǎn)、新學(xué)科層出不窮。但是數(shù)學(xué)的本質(zhì)與真理是永恒的,像克萊因那樣探索數(shù)學(xué)教育的規(guī)律,當(dāng)是一以貫之的。我們熱切希望我國(guó)高水平的數(shù)學(xué)多面手寫出更結(jié)合我國(guó)實(shí)際的、現(xiàn)代化的《高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)》。這樣一本書(shū)出版,將是我國(guó)數(shù)學(xué)教育史上的一件大事。 1989年6月于南開(kāi)大學(xué)
菲利克斯·克萊因
(Felix Klein,1849—1925): 德國(guó)杰出的數(shù)學(xué)家、數(shù)學(xué)史家和數(shù)學(xué)教育家,現(xiàn)代國(guó)際數(shù)學(xué)教育的奠基人,對(duì)數(shù)學(xué)研究和數(shù)學(xué)教育產(chǎn)生了巨大影響,在數(shù)學(xué)界享有崇高的聲望。 克萊因早年在群論、復(fù)變函數(shù)論和非歐幾何等領(lǐng)域取得了卓越的成就,1872年發(fā)表的埃爾朗根綱領(lǐng)是幾何學(xué)劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。他是哥廷根學(xué)派公認(rèn)的領(lǐng)袖,將許多優(yōu)秀人才吸引到哥廷根大學(xué),創(chuàng)造了科學(xué)研究的輝煌,為推動(dòng)德國(guó)現(xiàn)代化發(fā)揮了巨大的作用。
第一卷:算術(shù) 代數(shù) 分析
博洽內(nèi)容 獨(dú)特風(fēng)格 ——《高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)》導(dǎo)讀 吳大任 紀(jì)念克萊因 ——介紹《高觀點(diǎn)下的初等數(shù)學(xué)》 齊民友 第一版序 第三版序 英文版序 前言 第一部分 算術(shù) 第一章 自然數(shù)的運(yùn)算 1.1 學(xué)校里數(shù)的概念的引入 1.2 運(yùn)算的基本定律 1.3 整數(shù)運(yùn)算的邏輯基礎(chǔ) 第二章 數(shù)的概念的第一個(gè)擴(kuò)張 2.1 負(fù)數(shù) 2.2 分?jǐn)?shù) 2.3 無(wú)理數(shù) 第三章 關(guān)于整數(shù)的特殊性質(zhì) 第四章 復(fù)數(shù) 4.1 通常的復(fù)數(shù) 4.2 高階復(fù)數(shù),特別是四元數(shù) 4.3 四元數(shù)的乘法——旋轉(zhuǎn)和伸展 4.4 中學(xué)復(fù)數(shù)教學(xué) 附:關(guān)于數(shù)學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展及一般結(jié)構(gòu) 第二部分 代數(shù) 第五章 含實(shí)未知數(shù)的實(shí)方程 5.1 含一個(gè)參數(shù)的方程 5.2 含兩個(gè)參數(shù)的方程 5.3 含3個(gè)參數(shù)λ,μ,ν的方程 第六章 復(fù)數(shù)域方程 6.1 代數(shù)基本定理 6.2 含一個(gè)復(fù)參數(shù)的方程 第三部分 分析 第七章 對(duì)數(shù)函數(shù)與指數(shù)函數(shù) 7.1 代數(shù)分析的系統(tǒng)討論 7.2 理論的歷史發(fā)展 7.3 中學(xué)里的對(duì)數(shù)理論 7.4 函數(shù)論的觀點(diǎn) 第八章 角函數(shù) 8.1 角函數(shù)理論 8.2 三角函數(shù)表 8.3 角函數(shù)的應(yīng)用 第九章 關(guān)于無(wú)窮小演算本身 9.1 無(wú)窮小演算中的一般考慮 9.2 泰勒定理 9.3 歷史的與教育學(xué)上的考慮 附錄 Ⅰ. 數(shù)e和π的超越性 Ⅱ. 集合論 第二卷:幾何 第一版序 第三版序 英譯者序 前言 第四部分 最簡(jiǎn)單的幾何形體 第十章 作為相對(duì)量的線段、面積與體積 第十一章 平面上的格拉斯曼行列式原理 第十二章 格拉斯曼空間原理 第十三章 直角坐標(biāo)變換下的空間 第十四章 導(dǎo)出的位形 第五部分 幾 何 變 換 第十五章 仿射變換 第十六章 射影變換 第十七章 高階點(diǎn)變換 17.1 反演變換 17.2 某些較一般的映射射影 17.3 最一般的可逆單值連續(xù)點(diǎn)變換 第十八章 空間元素改變而造成的變換 18.1對(duì)偶變換 18.2相切變換 18.3某些例子 第十九章虛數(shù)理論 第六部分 幾何及其基礎(chǔ)的系統(tǒng)討論 第二十章 系統(tǒng)的討論 20.1 幾何結(jié)構(gòu)概述 20.2 關(guān)于線性變換的不變量理論 20.3 不變量理論在幾何學(xué)上的應(yīng)用 20.4 凱萊原理和仿射幾何及度量幾何的系統(tǒng)化 第二十一章 幾何學(xué)基礎(chǔ) 21.1 側(cè)重運(yùn)動(dòng)的平面幾何體系 21.2 度量幾何的另一種發(fā)展體系 ——平行公理的作用 21.3 歐幾里得的《幾何原本》 第三卷:精確數(shù)學(xué)與近似數(shù)學(xué) 譯者的話 第一版序 第二版序 第三版序 前言 第七部分 實(shí)變函數(shù)及其在直角坐標(biāo)下的表示法 第二十二章 關(guān)于單個(gè)自變量x的闡釋 22.1 經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確度與抽象準(zhǔn)確度,現(xiàn)代實(shí)數(shù)概念 22.2 精確數(shù)學(xué)與近似數(shù)學(xué),純粹幾何中亦有此分野 22.3 直觀與思維,從幾何的不同方面說(shuō)明 22.4 用關(guān)于點(diǎn)集的兩個(gè)定理來(lái)闡明 第二十三章 實(shí)變量x的函數(shù)y=f(x) 23.1 函數(shù)的抽象確定和經(jīng)驗(yàn)確定(函數(shù)帶概念) 23.2 關(guān)于空間直觀的引導(dǎo)作用 23.3 自然規(guī)律的準(zhǔn)確度(附關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成的題外話) 23.4 經(jīng)驗(yàn)曲線的屬性:連通性、方向、曲率 23.5 關(guān)于連續(xù)函數(shù)的柯西定義和經(jīng)驗(yàn)曲線類似到什么程度 23.6 連續(xù)函數(shù)的可積性 23.7 關(guān)于最大值和最小值的存在定理 23.8 4個(gè)廣義導(dǎo)數(shù) 23.9 魏爾斯特拉斯不可微函數(shù);它的形象概述 23.10 魏爾斯特拉斯函數(shù)的不可微性 23.11 “合理”函數(shù) 第二十四章 函數(shù)的近似表示 24.1 用合理函數(shù)近似表示經(jīng)驗(yàn)曲線 24.2 用簡(jiǎn)單解析式近似表示合理函數(shù) 24.3 拉格朗日插值公式 24.4 泰勒定理和泰勒級(jí)數(shù) 24.5 用拉格朗日多項(xiàng)式近似表示積分和導(dǎo)函數(shù) 24.6 關(guān)于解析函數(shù)及其在闡釋自然中的作用 24.7 用有窮三角級(jí)數(shù)插值法 第二十五章 進(jìn)一步闡述函數(shù)的三角函數(shù)表示 25.1 經(jīng)驗(yàn)函數(shù)表示中的誤差估計(jì) 25.2 通過(guò)最小二乘法所得的三角級(jí)數(shù)插值 25.3 調(diào)和分析儀 25.4 三角級(jí)數(shù)舉例 25.5 切比雪夫關(guān)于插值法的工作 第二十六章 二元函數(shù) 26.1 連續(xù)性 26.2 偏導(dǎo)次序顛倒時(shí)2fxy≠2fyx的實(shí)例 26.3 用球函數(shù)級(jí)數(shù)近似表示球面上的函數(shù) 26.4 球函數(shù)在球面上的值分布 26.5 用有窮球函數(shù)級(jí)數(shù)作近似表示的誤差估計(jì) 第八部分 平面曲線的自由幾何 第二十七章 從精確理論觀點(diǎn)討論平面幾何 27.1 關(guān)于點(diǎn)集的若干定理 27.2 對(duì)兩個(gè)或多個(gè)不相交圓反演所產(chǎn)生的點(diǎn)集 27.3 極限點(diǎn)集的性質(zhì) 27.4 二維連續(xù)統(tǒng)概念、一般曲線概念 27.5 覆蓋整個(gè)正方形的皮亞諾曲線 27.6 較狹義的曲線概念:若爾當(dāng)曲線 27.7 更狹義的曲線概念:正則曲線 27.8 用正則理想曲線近似表示直觀曲線 27.9 理想曲線的可感知性 27.10 特殊理想曲線:解析曲線與代數(shù)曲線,代數(shù)曲線的格拉斯曼幾何產(chǎn)生法 27.11 用理想圖形表現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)圖形:佩里觀點(diǎn) 第二十八章 繼續(xù)從精確理論觀點(diǎn)討論平面幾何 28.1 對(duì)兩個(gè)相切圓的相繼反演 28.2 對(duì)3個(gè)循環(huán)相切圓的相繼反演(“模圖形”) 28.3 4個(gè)循環(huán)相切圓的標(biāo)準(zhǔn)情況 28.4 4個(gè)循環(huán)相切圓的一般情況 28.5 所得非解析曲線的性質(zhì) 28.6 這整個(gè)論述的前提,韋羅內(nèi)塞的進(jìn)一步理想化 第二十九章 轉(zhuǎn)入應(yīng)用幾何:A.測(cè)量學(xué) 29.1 一切實(shí)際度量的不準(zhǔn)確性,斯涅爾問(wèn)題的實(shí)踐 29.2 通過(guò)多余的度量來(lái)確定準(zhǔn)確度,最小二乘法的原則闡述 29.3 近似計(jì)算,用關(guān)于球面小三角形的勒讓德定理來(lái)說(shuō)明 29.4 地球參考橢面上最短線在測(cè)量學(xué)中的意義(附關(guān)于微分方程論的假設(shè)) 29.5 關(guān)于水準(zhǔn)面及其實(shí)際測(cè)定 第三十章 續(xù)論應(yīng)用幾何:B.作圖幾何 30.1 關(guān)于作圖幾何中一種誤差理論的假設(shè),用帕斯卡定理的作圖說(shuō)明 30.2 由經(jīng)驗(yàn)圖形推導(dǎo)理想曲線性質(zhì)的可能性 30.3 對(duì)代數(shù)曲線的應(yīng)用,將要用到的關(guān)于代數(shù)的知識(shí) 30.4 提出所要證明的定理:w′+2t″=n(n-2)223 30.5 證明中將采用的連續(xù)性方法 30.6 有與無(wú)二重點(diǎn)的Cn之間的轉(zhuǎn)化 30.7 符合定理的偶次曲線舉例 30.8 奇次曲線的例子 30.9 舉例說(shuō)明證明中的連續(xù)性方法,證明的完成 第九部分 用作圖和模型表現(xiàn)理想圖形 第三十一章 用作圖和模型表現(xiàn)理想圖形 31.1 無(wú)奇點(diǎn)空間曲線的形狀,以C3為例(曲線的投影及其切線曲面的平面截線) 31.2 空間曲線的7種奇點(diǎn) 31.3 關(guān)于無(wú)奇點(diǎn)曲面形狀的一般討論 31.4 關(guān)于F3的二重點(diǎn),特別是它的二切面重點(diǎn)和單切面重點(diǎn) 31.5 F3的形狀概述 呼吁:通過(guò)觀察自然,不斷修訂傳統(tǒng)科學(xué)結(jié)論 譯名對(duì)照表 譯后記
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