高等数学的极限教学策略 周继振,许峰 (安徽理工大学理学院,安徽淮南,232001) [摘要] 通过分析高等数学教材上极限教学策略的不足和-语言的复杂性,针对理工学生的教学要求,提出了一个新的极限教学的方案,这一新方案能有效提高教学效率,促使学生理解极限的-语言. [关键词] 极限 潜无限 实无限 [中图分类号] G642.0 [文献标识码] A 一、引言 微积分主要研究两类分析运算—微分和积分运算.这两类运算分析运算是以极限概念作为基础的,所以极限概念是微积分的一个重要的、基础性的概念.可以说微积分中几乎每一个概念都和它有关!然而,极限概念又是微积分教学中一个很难处理的概念.每一个初学者对-语言都视为畏途.许多数学家都回忆说当他真正懂得极限的-语言时,他便成为一个数学家了.事实上,极限概念的-语言是微积分的精华,是历史选择的结果,它具有统一性、简洁性等数学美的特征,具有丰富的辩证思想[1].极限概念教学的难点体现在两个地方,一是-语言具有辩证的抽象思维,带有逻辑推理模式,是一个非常规的高等级抽象过程.对于刚从高中毕业,习惯于无辩证的简单思维的大学生来说,接受这样的高等级抽象思维模式无疑是困难的.二是学生没有正确的无穷观,在极限的概念中混淆了潜无限与实无限.总之,学生不明白在许多在有限的情况下,难以做到的事情,在无限的过程中则可以由此达彼[2].对大学生来说,不明白为什么要用这套-语言来刻画极限. 二、极限的教学策略 高等学校的文科生,不需要掌握严格的极限理论,只需要会求导、求积分运算.理科学生对极限的要求是需要能够用-语言求一些简单数列和函数的极限,能够应用-语言作一些简单的证明,例如证明正项级数收敛的比值法和根植法时,就需要用到语言.但相对于数学专业的学生来说,理科学生也不需要对数列和函数极限有深入的认识,仅要求会作一些简单的运用即可.极限教学策略已在多篇文章中讨论,见[1—4].理工科的《高等数学》教材常采用如下的方式讲授极限,一般是先让学生学好严格的极限理论,打好数学基础,例如同济版的《高等数学》[5].极限的教学策略一般如下:引入数列 . 观察到自然数n越来越大时,越来越接近1.教材上言,可以用绝对值刻画两者之间距离的大小,根据绝对值的大小,可以找出满足条件的自然数n.由此引出数列极限的定义.后面函数的极限定义类似可得. 上面的教学策略存在着不足,一是实例的几何意义不明显;二是语言的必要性没有说清楚. 三、极限的教学策略 针对上述理科《高等数学》极限教学存在的问题,本文设计了一套适合理工科学生学习极限的教学策略. 第一、理解的含义,它是一个辩证的,矛盾的过程.本身没有什么意思,仅仅是一个记号,它指的是变量的绝对值越来越大.符号是指自然数n越来越大,那么这个过程能否让n取到无穷呢?理解符号涉及到对无限持有什么样的观点.具体的,无限观点可分为潜无限和实无限.若把1、2、3等自然数分别写在一个纸片上相继放进一个袋子里,持潜无限观的人认为这一个过程是无穷无限的,不可能完成的;持实无限观点的人认为,所有的纸片是可以全部放进袋子里的,从而过程是可以结束的.潜无限观,是动态的,不断突破、不断延伸的过程,实无限的观点是静止的,有限的[3].在集合论没有出现以前,人们仅承认潜无穷观.但康托尔的集合论诞生后,人们更愿意相信实无穷观.极限的含义既包含潜无穷也包括实无穷.在自然数n不断增大的过程中,应用潜无穷的观点,取到极限则是过程已经结束,用实无穷的观点. 第二、设计丰富的实例,让学生观察、归纳、抽象极限概念,相信极限存在.古希腊人用穷竭法求曲边梯形的面积就包含着原始的极限思想.物理上也有很多例子可以说明极限是存在的,第一个例子是爱因斯坦在光速是一切速度的极限的基础上建立了狭义相对论;第二个例子是宇宙中恒星的质量不可能无限大.几何上可以列下面的两个例子. 例1、考察数列 1) (1)式是将一个长度为2的线段利用二分法划分为段,去掉一个长度为的线段后剩下的长度.容易看到,当n越来越大时,sn与2越来越接近.当时,可以认为sn是线段的长度. 例2、如图1,过的直线记为,其中P的坐标为,Q为在圆上且横坐标为1/n的点.直线y=1为圆在点P的切线.容易看到,当n越来越大时,与直线y=1的夹角会越来越小,从而当时,ln就是直线y=1. 第三、引导学生作出总结,给出极限的描述性定义.例1和例2是用动态的观点来看极限的,共同点是随着n增大时,变量逐渐趋向于一个常量.如何来刻画动态的无限过程是摆在数学家面前的一个首要任务了.柯西成功的解决了这一问题,柯西在《分析教程》[6]中,给出了这样的极限定义:如果一个变量逐次所取得的值无限趋向于一个定值,最终使这个变量的值与该定值之差要多小就有多小,那么就称该定值为所有其他值的极限.美中不足的是,柯西的定义仅仅是一个描述性的定义,不能成为严格的数学分析的基础. 第四、化动态过程为静态过程,给出-语言.典型的分析思想是由结果推测条件.按照分析思想来分析极限的描述性定义.极限的描述性定义的结果是变量的值与该定值之差要多小就有多小,需要的条件是变量无限趋向于一个定值.对此作如下的分析.首先是变量与该定值之差,可以用两个值差的绝对值来表示;其次,要多小就多小,应理解为差是变化的且变化的趋势是无限小,故可以给差设定一个上限,这里用来表示,即;再其次,对于结果,寻找满足结果条件的,因为数列可以看做自然数n的函数,故只要给出n的范围即可.实际给出的定义的时候,需要再将条件写在结果的前面.这就获得了外尔斯托拉斯的极限定义如下[5]:若对任意给定的正数,总存在正整数,使得对满足的所有,不等式均成立,则称为数列的极限或称数列收敛于,记为或.该极限简写为: . 若理解了外尔斯托拉斯的极限定义后,可以得出证明极限的关键点在于根据给出的,证明的存在性. 外尔斯托拉斯的极限定义没有了运动和几何的痕迹,完全依靠数学的逻辑力量,这一定义成为了数学分析的基础.这正应了《道德经》上的一句话:"归根曰静". [参考文献] [1] 王庚. 论极限教学的解决方案[J]. 大学数学,2004, 20(3),54-58. [2] 常瑞玲.用数学方法论指导极限概念教学的尝试[J].数学教育学报,2000,9(1):78–80. [3] 顾光辉,吕朝阳.实无限与潜无限视角下的极限概念[J].数学教育学报,2004,13(3):66–67. [4] 付夕联,张玉峰. 极限概念教学的系统分析[J]. 数学教育学报,2013,22(1):83-88. [5] 同济大学. 高等数学(上,下)[M]. 北京:高等教育出版社,2007. [6] 爱德华著,张鸿林译. 微积分发展史[M]. 北京:北京出版社, 1987.
下载该文档
文档格式：DOC
更新时间：2014-08-02
下载次数：0
点击次数：1
高等数学的极限教学策略 周继振,许峰 (安徽理工大学理学院,安徽淮南,232001) [摘要] 通过分析高等数学教材上极限教学策略的不足和-语言的复杂性,针对理工学生的教学要求,提出了一个新的极限教学的方案,这一新方案能有效提高教学效率,促使学生理解极限的-语言. [关键词] 极限 潜无限 实无限 [中图分类号] G642.0 [文献标识码] A 一、引言 微积分主要研究两类分析运算—微分和积分运算.这两类运算分析运算是以极限概念作为基础的,所以极限概念是微积分的一个重要的、基础性的概念.可以说微积分中几乎每一个概念都和它有关!然而,极限概念又是微积分教学中一个很难处理的概念.每一个初学者对-语言都视为畏途.许多数学家都回忆说当他真正懂得极限的-语言时,他便成为一个数学家了.事实上,极限概念的-语言是微积分的精华,是历史选择的结果,它具有统一性、简洁性等数学美的特征,具有丰富的辩证思想[1].极限概念教学的难点体现在两个地方,一是-语言具有辩证的抽象思维,带有逻辑推理模式,是一个非常规的高等级抽象过程.对于刚从高中毕业,习惯于无辩证的简单思维的大学生来说,接受这样的高等级抽象思维模式无疑是困难的.二是学生没有正确的无穷观,在极限的概念中混淆了潜无限与实无限.总之,学生不明白在许多在有限的情况下,难以做到的事情,在无限的过程中则可以由此达彼[2].对大学生来说,不明白为什么要用这套-语言来刻画极限. 二、极限的教学策略 高等学校的文科生,不需要掌握严格的极限理论,只需要会求导、求积分运算.理科学生对极限的要求是需要能够用-语言求一些简单数列和函数的极限,能够应用-语言作一些简单的证明,例如证明正项级数收敛的比值法和根植法时,就需要用到语言.但相对于数学专业的学生来说,理科学生也不需要对数列和函数极限有深入的认识,仅要求会作一些简单的运用即可.极限教学策略已在多篇文章中讨论,见[1—4].理工科的《高等数学》教材常采用如下的方式讲授极限,一般是先让学生学好严格的极限理论,打好数学基础,例如同济版的《高等数学》[5].极限的教学策略一般如下:引入数列 . 观察到自然数n越来越大时,越来越接近1.教材上言,可以用绝对值刻画两者之间距离的大小,根据绝对值的大小,可以找出满足条件的自然数n.由此引出数列极限的定义.后面函数的极限定义类似可得. 上面的教学策略存在着不足,一是实例的几何意义不明显;二是语言的必要性没有说清楚. 三、极限的教学策略 针对上述理科《高等数学》极限教学存在的问题,本文设计了一套适合理工科学生学习极限的教学策略. 第一、理解的含义,它是一个辩证的,矛盾的过程.本身没有什么意思,仅仅是一个记号,它指的是变量的绝对值越来越大.符号是指自然数n越来越大,那么这个过程能否让n取到无穷呢?理解符号涉及到对无限持有什么样的观点.具体的,无限观点可分为潜无限和实无限.若把1、2、3等自然数分别写在一个纸片上相继放进一个袋子里,持潜无限观的人认为这一个过程是无穷无限的,不可能完成的;持实无限观点的人认为,所有的纸片是可以全部放进袋子里的,从而过程是可以结束的.潜无限观,是动态的,不断突破、不断延伸的过程,实无限的观点是静止的,有限的[3].在集合论没有出现以前,人们仅承认潜无穷观.但康托尔的集合论诞生后,人们更愿意相信实无穷观.极限的含义既包含潜无穷也包括实无穷.在自然数n不断增大的过程中,应用潜无穷的观点,取到极限则是过程已经结束,用实无穷的观点. 第二、设计丰富的实例,让学生观察、归纳、抽象极限概念,相信极限存在.古希腊人用穷竭法求曲边梯形的面积就包含着原始的极限思想.物理上也有很多例子可以说明极限是存在的,第一个例子是爱因斯坦在光速是一切速度的极限的基础上建立了狭义相对论;第二个例子是宇宙中恒星的质量不可能无限大.几何上可以列下面的两个例子. 例1、考察数列 1) (1)式是将一个长度为2的线段利用二分法划分为段,去掉一个长度为的线段后剩下的长度.容易看到,当n越来越大时,sn与2越来越接近.当时,可以认为sn是线段的长度. 例2、如图1,过的直线记为,其中P的坐标为,Q为在圆上且横坐标为1/n的点.直线y=1为圆在点P的切线.容易看到,当n越来越大时,与直线y=1的夹角会越来越小,从而当时,ln就是直线y=1. 第三、引导学生作出总结,给出极限的描述性定义.例1和例2是用动态的观点来看极限的,共同点是随着n增大时,变量逐渐趋向于一个常量.如何来刻画动态的无限过程是摆在数学家面前的一个首要任务了.柯西成功的解决了这一问题,柯西在《分析教程》[6]中,给出了这样的极限定义:如果一个变量逐次所取得的值无限趋向于一个定值,最终使这个变量的值与该定值之差要多小就有多小,那么就称该定值为所有其他值的极限.美中不足的是,柯西的定义仅仅是一个描述性的定义,不能成为严格的数学分析的基础. 第四、化动态过程为静态过程,给出-语言.典型的分析思想是由结果推测条件.按照分析思想来分析极限的描述性定义.极限的描述性定义的结果是变量的值与该定值之差要多小就有多小,需要的条件是变量无限趋向于一个定值.对此作如下的分析.首先是变量与该定值之差,可以用两个值差的绝对值来表示;其次,要多小就多小,应理解为差是变化的且变化的趋势是无限小,故可以给差设定一个上限,这里用来表示,即;再其次,对于结果,寻找满足结果条件的,因为数列可以看做自然数n的函数,故只要给出n的范围即可.实际给出的定义的时候,需要再将条件写在结果的前面.这就获得了外尔斯托拉斯的极限定义如下[5]:若对任意给定的正数,总存在正整数,使得对满足的所有,不等式均成立,则称为数列的极限或称数列收敛于,记为或.该极限简写为: . 若理解了外尔斯托拉斯的极限定义后,可以得出证明极限的关键点在于根据给出的,证明的存在性. 外尔斯托拉斯的极限定义没有了运动和几何的痕迹,完全依靠数学的逻辑力量,这一定义成为了数学分析的基础.这正应了《道德经》上的一句话:"归根曰静". [参考文献] [1] 王庚. 论极限教学的解决方案[J]. 大学数学,2004, 20(3),54-58. [2] 常瑞玲.用数学方法论指导极限概念教学的尝试[J].数学教育学报,2000,9(1):78–80. [3] 顾光辉,吕朝阳.实无限与潜无限视角下的极限概念[J].数学教育学报,2004,13(3):66–67. [4] 付夕联,张玉峰. 极限概念教学的系统分析[J]. 数学教育学报,2013,22(1):83-88. [5] 同济大学. 高等数学(上,下)[M]. 北京:高等教育出版社,2007. [6] 爱德华著,张鸿林译. 微积分发展史[M]. 北京:北京出版社, 1987.