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1# 贡嘎山
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[科技·双创新《高等数学(微积分)》目录与前言

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新《高等数学(微积分)》目录与前言
王德奎
摘要:从古代起,人类就一直没有停止过对物质或时空微分单元的思考,并且大多数停留在球体的形相上。如果以21世纪的科学水平观之,我们可以不把它解释成20世纪前科学水平的“原子”论,而翻译成类似20世纪末科学水平的“量子”论。
关键词:全息微积分、协同微积分、微积分建模、微积分规范
《高等数学(微积分)》目录
第一篇 微积分建模   
第一章 微积分几何化演绎 
    第一节 微积分现代建模
一、数学建模导论;
二、度量空间的基本概念;
三、量子的比例建模;
四、抽象的点和零与不同伦的抽象;
五、无穷小量及其运算。
   
第二节 微积分几何建模
一、微分的概念及几何意义;
二、积分的概念及几何意义;
三、求未定型的极限;
四、现代数学的结构发展。
   
第三节 向量与空间的几何解析
一、向量及向量的坐标;
二、向量线性运算及向量的向量积;
三、平面及其方程;
四、空间直线及其方程;
五、常见曲面的方程及图形。
第二章 微积分极限论建模 
    第一节 极限建模
一、数列极限与函数的极限;
二、无穷小与无穷大;
三、极限的运算。
   
第二节 函数建模
一、常量与变量;
二、函数的概念及性质;
三、连续与间断;
四、连续函数的运算与初等函数的连续性。
    
             第二篇 微积分规范
第三章  微分学规范基础
    第一节 一元实函数的导数与微商
一、导数与微商的规范;
二、导数的几何意义及物理意义;
三、关于导数的定理;
四、初等函数的导数的计算;
五、高阶导数。

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2# 四姑娘山
 楼主|王德奎 发表于: 昨天 11:07|只看该作者
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第二节 函数的微分
一、函数图象的描绘;
二、微分的基本公式及运算法则;
三、微分的应用。
   
第三节 曲率
一、弧微分;
二、曲率及其计算公式;
三、主法向量、从法向量与曲率圆、曲率半径;
四、曲面上的曲率;
五、量子曲率与宇宙曲率模型。
        
第四章  积分学规范基础
    第一节 一元实函数的不定积分
一、不定积分的计算公式及运算法则;
二、换元与分部积分法;
三、有理函数的积分法;
四、积分表的使用方法。
   
第二节 一元实函数的定积分
一、定积分的定义与存在;
二、定积分的换元与分部积分法;
三、广义积分;
四、定积分在几何和物理上的应用。
   
              第三篇 协同微积分
第五章  微积分协同运算
    第一节 二元实函数的微分
一、微分的协同结构;
二、二元实函数的偏导数;
三、偏导数与全微分;
四、二元实函数的微分。
   
第二节 二元实函数的积分
一、在直角坐标系下的二重积分;
二、在极坐标系下的二重积分;
三、对弧长的曲线积分;
四、对坐标的曲线积分。
第六章  常微分方程协同运算
    第一节 一阶微分方程
一、微分方程的解与协同;
二、一阶线性微分方程;
三、几类特殊的高阶方程。
   
第二节 二阶微分方程
一、可降阶的二阶微分方程;
二、二阶线性微分方程;
三、二阶常系数非齐次线性微分方程;
四、微分方程的应用。
             第四篇 全息微积分
第七章 熵微积分
    第一节 微积分全息建模
一、全息原理与有限集的直积集;
二、排列组合与时空维;
三、行列式与线性方程组;
四、矩阵算子与全息场。
   
第二节 从不可计算到概率
一、概率与条件概率;
二、博弈与运筹;
三、统计系综与几率的概率;
四、广义集合与复杂程度;
五、物理学中的熵。
   
第三节 熵的微分方法
一、熵增与时间箭头;
二、相空间的粗粒化;
三、热力学第二定律与低熵起源;
四、数学期望与不确定熵公式;
五、熵因子与理论指数。
第八章 量子熵微积分
    第一节 点内空间微积分
一、数字生存的赛博空间与点内空间;
二、复数与黎曼球面;
三、复变数的极限与微商;
四、复变数的积分;
五、非标准分析与点内空间;
六、断裂的应力与点的应力圆空间。
   
第二节 非对易数学
一、球面、环面与非对易几何;
二、实数、复数与非对易代数;
三、芝诺坐标、黎曼切口与非对易物理学;
四、环境、基因与非对易生物学;
五、测度、扭量与非对易社会学。
第九章 量子微积分
    第一节 理论力学微积分建模
一、矢量微分建模;
二、变质量质点的运动微分方程;
三、均匀弦及薄膜的微小振动方程;
四、流体力学与声学方程;
五、散度、旋度、梯度。
   
第二节 电动力学微积分建模
一、电场的散度与旋度;
二、磁场的环量与旋度;
三、从环到球的电磁波辐射;
四、电动力学的相对论不变性。

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3# 峨眉山
 楼主|王德奎 发表于: 昨天 11:08|只看该作者
第三节 量子力学微积分建模
一、玻尔的量子化条件;
二、波函数微分方程;
三、粒子微分散射截面;
四、电子自旋与费曼路径积分;
五、质量谱公式、粒子拓扑图、三旋密码;
六、矩阵表达与弦/M、圈量子的全息统一。
《高等数学(微积分)》前言
一、理工应用高职与数学和谐建模
我国正在创建和谐社会,联系数学的功能,也许万物皆可用数表示,这些数本身具有的内涵,是与它们一种基本的和谐密切相关的。
从古代起,人类就一直没有停止过对物质或时空微分单元的思考,并且大多数停留在球体的形相上。如果以21世纪的科学水平观之,我们可以不把它解释成20世纪前科学水平的“原子”论,而翻译成类似20世纪末科学水平的“量子”论。
目前微积分学涉及几乎所有的科技领域,创新这些点子的一线科学家,即使他们的科普报道也超越《高等数学》教材很多年,例如,告诉信息是如何逃出黑洞的,基因剪切是如何让同一段DNA编码多样化的;即使对普遍的大学毕业生,也感到需行家才能了解。
我们民族应不应该向理工应用高职生,介绍这些领域最前沿的现状和发展前景?应不应该以通俗、生动的语言,讲解微积分学对这些科技领域的深刻影响,培养他们把科学当作一种纯粹的爱好,而没有功利色彩,以形成他们对创新有足够的热情和科学素养的提高?
这是一个艰难的课题,但科技领域类似舞台的魔术表演,教学生的不只是欣赏魔术艺术的精彩,还要让他们懂得魔术背后的集成原理。
我国在建设创新型国家,然而科学即使是细微的发展,今天也更需要自己去买单,才有百倍的热情和独创的勇气。好在应用型学院、高职高专学校同学出生社会,不是靠弄纯科学吃饭;就业有实在的职业技术服务社会满足生存能力之后,如果他们不满足于类似当一名工人或一名工程师的时候,建设创新型国家的科学任务也有他们的一份。
退一万步说,如果能掌握类似常说的四大力学──理论力学、统计力学、电动力学、量子力学中的初步微积分方法,那么即使不使用,他们在弄自己本职技术需要的数学,也不会觉得很难。
这个思路,正是本书面向应用型学院、高职高专学校编写的《高等数学(微积分)》教材的设计。因此本书内容是尽量努力吸收当前国际《高等数学(微积分)》教学改革成果,按照我国教学基本要求,适合推进素质教育,培养学生的创新精神、应用意识、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力,以及适应分层次教学需求,做到突出重点、详略得当、通俗易懂,而便于自学。
二、创新疑虑与互动回答
鉴于国内同类教材有些和几十年前的内容一样,需要吸收国外的优点和长处,因此样子变了一下的探索,以及对应用型学院、高职高专学校要求的高等数学的理解,这会不会具有一定的危害性呢?
例如,有人会说,职业技术学院的基本职能是对学生进行职业训练,使学生具有能够胜任某些职业的基本技能,作为职业学院学校的基础课的高等数学,其教学目的应该是使学生掌握分析、解决职业中遇到的问题的基本数学工具,而不是培养什么科学爱好者,任何偏离这个目的的教学,都是对学生不负责任;拿职业技术学院的学生来做所谓“改革”试点,是误人子弟。
又如有人也会说,编写教材最终目的是要给同学讲授,学生也就要购买该教材,按此字面理解“出版自由”,这可以认为是个人的行为,但又是剥夺学生们的选择权利,因为这种书不会比牛顿、莱布尼茨、欧拉写下的第一个字符好上一点,所以不论其内容如何,还是免了吧。对这类说法的关心,我们在感谢的同时也要说,这里是存在互动的趋利避害关系。科学在不断地探索进步,创新不是停留在口头上,也不是复旧。由于数学上的存在性,并不要求物理实在的任何部分遵循同样的规律,数学的范围比实在要大得多,因此数学和谐原理,已显示出量子化、全息化、视界化集成原理的趋势,这种理解大自然的和谐或追求数学协同的大统一场论,最终不是在一个公式、一种方程上去寻找,而是在微积分的这种方法上的寻找。
量子化、全息化和视界化的很多“规范场”方程,就包含在这种微积分方法之中。20世纪类似量子论、相对论、大爆炸宇宙论等科学前沿,极大地改变了20世纪前的科学面貌。
但到21世纪初《高等数学(微积分)》大多数教材,仍是从微积分的发展从开头讲到现在,过程太长,很难接触目前类似前沿科学的鲜活。从超越国学和西学,面向世界,是中华民族伟大复兴的必要前提来看,类似薛晓舟教授《量子真空物理导引》的书可知,真空的虚过程以及规范场,超对称等概念,超弦理论、圈量子引力与全息理论等,已覆盖前沿物理战场的全貌。
如果说教学生的不只是欣赏魔术艺术的精彩,还要让他们懂得魔术背后的集成原理的话,那么从真空的虚过程以及规范场,超对称等概念,超弦理论、圈量子引力与全息理论等倒过来看,微积分学也确实类似“量子”学、“协同”学。
所以《高等数学(微积分)》教材的改革,在微积分知识满足工程技术需要的情况下,从微积分学类似“量子”学入手,增加一些类似必备的微分几何概念,这虽是与高职高专学校同学出生社会的生活没有太大关系的纯科学问题,却是增加培养民族的创新精神和获取新知识的能力、分析和解决新问题的能力的又一个高数起点。
职业技术学院的学生,首先是要满足就业,能胜任职业的基本技能,而不是培养什么科学爱好者,这也许说的是大实话。
但就业涉及的物质、能量、信息、生命、自然、社会事情,也需要较高的科学素质和科学智慧。《高等数学(微积分)》书,不是全盘改变和几十年前内容一样的同类教材的作法,而是对同类教材换一个角度的数学建模,在使学生的微积分知识,满足工程技术需要的情形上,它具有的性质和同类教材是相象的。
这类似狭义相对论终结“以太”,把运动有关的已知的一切共同放入一个简洁和数学的精确上,而不需要任何“以太”来传递光和电的性质;爱因斯坦的这种光速公设,仍是建立在以早先菲茨杰拉德和洛伦兹,从麦克斯韦的光和电磁学理论中推出的菲茨杰拉德--洛伦兹收缩因式,作为它的一个直接推论的基础上的。

4# 金佛山
 楼主|王德奎 发表于: 昨天 11:08|只看该作者
三、量子化微积分的缘起与温故知新的全息协同
类似狭义相对论是属于爱因斯坦的,而不是属于菲茨杰拉德和洛伦兹的;《高等数学(微积分)》的量子化微积分建模,是属于中国人的微积分,而不是属于牛顿、莱布尼茨、欧拉的微积分,但这又是以牛顿、莱布尼茨、欧拉等数百年间,国际上的微积分学大师们类似极限论的一些新点子作的基础。
当然“微分”学与“量子”论有相同也是有差异的,而且常识问题的多元化、复杂性与自然化及简单性,是很多哲学歧义与科学争夺的迷人处,但《高等数学》的高等和统领性,正好从数学建模去分辩。
那么我国量子化微积分又缘由何起呢?1957年第一次有两位中国人,获得当年的诺贝尔物理学奖,消息传到1958年大跃进号召向科学进军在绵阳地区农村普遍建立的初中学校时,仍激发起一些中国少年,对以量子力学为科学高峰的四大力学科普知识的兴趣。
17世纪托里拆利、帕斯卡和玻意耳等科学家,用水银柱测量大气压与高度、密度等变量的函数关系,联系地球空间结构也能联想宇宙空间结构;如果再联想公元前5世纪前后国内外古代自然哲学家们的原子论、虚空论、元气论、物质无限可分论、无中生有论,那么帕斯卡和玻意耳从空的空间的密封玻璃瓶中抽走的空气,制造局部真空的实验,那个空瓶空的空间或“有”或“无”的“微分”,是属于20世纪前的原子、分子论。
如果这以后那个抽空的真空瓶,仍然留下有类似空气这种可分的“物质”的话,那么这个真空瓶空的空间或“有”或“无”的“微分”,就只能是20世纪末的量子、瞬子论了。
这种呈展现象,是十分明确的,即第一次抽走的原子、分子,是属于实物质,它能联想正物质、正能量类似的宇宙常数。
而第二次真空能抽走的或“有”或“无”的“微分”,或许是属于负实物质或虚物质,或“无”物质、“0”物质,它们能联想暗物质、暗能量类似的宇宙常数。这类无限可分的量子、瞬子、真空零点能粒子,还存在非对易代数和非对易代数几何问题,与原子、分子相比,也更多属于能相状态,具有量子涨落和不确定性质。
这里宇宙自组织的实存在性,用数学描述比用物理学描述更恰当一些。因为它们已经冲击到20世纪前科学实验,总结的能量守恒定律和物质不灭定律。但从万物皆可用数的发展来看,有实就有虚,有正就有负,有点外空间就有点内空间,即能量守恒定律和物质不灭定律,还应该有在20世纪末的微积分量子化的正实数、负实数、正虚数、负虚数、零点能等呈展,和在点外空间和点内空间上的求衡与转换。因此,利用数轴和零点能的相变,似乎也能推出数学的量子论、相对论、宇宙大爆炸论和宇宙大爆炸前后的信息守恒论。
中国特色社会主义是社会自组织的必然选择,当然道路不会一直是平坦的。1959年和1960年大跃进的饥荒时期,绵阳地区那些农村新办的初中学校,更深的卷入其中:一些中国少年,目睹以及亲身经历一个红薯,一片一片地微分完了,然而饥荒的眼神,仍盯着那片剩下的虚空,也想再分;即使设想虚空,撕裂破了,饥荒的人们也想再分──因为想吃。这时,一个空间撕破的巨大圆环面,出现了,它渐渐轨形卷曲成环面,再变成了无数的小环面。
它们自旋着,辐射着,与时间的辐射变成了宇宙。
原子、分子、量子、微分、积分,长程平均类似协同,体积简并类似全息。这种大规模的震撼,超越了牛顿、莱布尼茨、欧拉等数百年间国际上的微积分学大师们的类似极限论的震撼,是世界上没有一位数学家和物理学家,在和平幸福时期经历过的。
近半个多世纪过去了,物质无限可分的实践论和矛盾论,成就了中国人的不需要重整化、减少重整化和容忍重整化的量子场论,以及把物质、能量、信息、生命打包在一起思考的量子化微积分学。
21世纪初,绵阳市已出版了《三旋理论初探》和《解读<时间简史>》等书,有一位博士生导师评论说:在中国本土,独立构建的一种不仅不同于经典物理学,不同于量子力学、相对论,而且不同于超弦理论的崭新体系,它犹如在遥望世界科学最高峰的攀登壮举之时,惊奇地发现,另一面山坡上,竟闪现出中国攀登者的身影。
当然我们也会看到,不同于经典物理学、量子力学、相对论、超弦理论的体系,是会引起更多的人的疑虑的。
但是我国搞超弦理论或圈量子引力理论等量子场论的学者,他们心中也并不踏实;有些人私下还透露,这类理论可能是错的。
这我们能理解,因为这类量子场论,并不是他们首创的,他们是在跟着潮流做专业工作。但我们见到国际上超弦理论、圈量子引力理论等量子场论的出现,心里却踏实多了。因为攀登的道路上,这类理论毕竟也不同于停留在球体形相的量子上,而和我国60多年前萌生的基本粒子不是类点体,而是类圈体模型的环量子三旋理论相似了很多,它们给我们提供了很多借鉴,我们有一种队伍在扩大和被追赶的感觉,也感到国际上的这股量子场论潮流路,是走对了的。
这种经历,还来自环量子三旋模型共有62种自旋状态,这类似额外维的超对称,它们能编码解答各种夸克和夸克幽禁,但当时我国有些专业学者,也认为国际上的夸克理论可能是错的,更谈不上业余的环量子三旋模型,有生存权和发展权。
但在带着这些新点子,苦读四大力学的过程中,迎来了科学的春天,也让我们倍感到高等数学微积分的十分基础和重要。
联系20世纪初,“量子论”一提出,就遇到点量子的发散困难,海森堡正确地提出,“量子”存在着一个长度的最小单位,叫普朗克长度。这是一个不确定性的“点”,而不是决定论的“点”。
但由此争论产生的共识,虽是基本粒子不是点粒子,但接下来到21世纪初仍分为两派:一派类似球量子,一派类似环量子。
在拓扑学上,不但球面与环面不同伦,而且拓扑不变量、亏格也不同;如拓扑不变量:球面为2, 环面为0;亏格数:球面为 0,环面为1。但我国却有众多的专家学者,对这类球面与环面拓扑类型分不清,实在是我国《高等数学(微积分)》教材的缺陷。
因为不说高职高专学校,就是应用型的理工科大学的同学,《高等数学》教材已是他们走上社会前的最后一道数学常识的把关口。其实,如果把《高等数学(微积分)》教材编写好了,类似内集论、复空间、球面与环面不同伦、拓扑不变量等非对易代数和非对易代数几何,以及封闭平坦开放宇宙空间曲率、真空的虚过程、规范场、超对称、圈量子引力与超弦理论、膜理论、全息理论等纯科学知识,也可看成是微积分的协同全息问题。
有鉴于此,我们把《高等数学(微积分)》教材内容分成四大篇,与原教材类似的对应是,第一篇微积分数学建模,以极限论为基础;第二篇微积分规范场论,以一元函数微积分为基础;第三篇高等协同微积分,以二元函数微分学为基础;第四篇微积分全息应用,以工程数学为基础。由于我们水平有限,设计此书仓促,请有关专家、学者,以及使用本书的老师、同学和读者,批评指正。

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