《大學數(shù)學基礎教程》共分上下兩篇,上篇介紹數(shù)學文化,包括什么是數(shù)學、常用的數(shù)學思想與方法
簡介、三次數(shù)學危機、數(shù)學美學、數(shù)學國際以及數(shù)學的新進展共6 章的內容;下篇介紹數(shù)學
的應用,包括代數(shù)學應用、幾何學應用、分析學應用、概率統(tǒng)計應用及運籌學應用共5 章的
內容.
根據(jù)文科的特點,本書強調數(shù)學基本思想的闡釋,省略繁瑣的計算和證明,敘述上力求
簡潔直觀、淺顯易懂.本書選材較寬泛,且注重闡釋數(shù)學的文化價值及數(shù)學理論的應用價
值.每章后面的思考題、自主探索或合作研究的習題內容,旨在強調對學生的思維訓練和學
習能力的培養(yǎng),以期達到文理通融,提高文科生數(shù)學素養(yǎng)的目的.考慮到教學學時的限制,
教師可根據(jù)需要靈活選擇內容和組織教學.
本書便于教學和自學,適合作為藝術類、體育類等文科專業(yè)的大學數(shù)學教材,也可作為
對數(shù)學要求相對寬松的高等學校文科其他專業(yè)的數(shù)學教材,同時可作為感興趣的學習者的一
本參考資料.
該教材適用于高等學校的藝術、體育類等對數(shù)學要求相對較低的專業(yè),教材強調數(shù)學在人文方面的特點。
前言
數(shù)學作為歷史悠久且源遠流長的科學,如今,在世界各地的學校教育的各個階段、各個層面已然成為學習時間最長、對升學考試和素質培養(yǎng)都非常重要的一門課程.21世紀,數(shù)學對科技的發(fā)展與進步更是舉足輕重、不可或缺.因此,一個有修養(yǎng)學識的當代人,需要具備一些數(shù)學素質,能夠對世界和自身多些理性的思考,而非僅僅是感性的強大.
2015年秋季學期,我校教務處決定為音樂表演專業(yè)、體育專業(yè)以及少數(shù)民族本科生開設大學數(shù)學課程.此前,21世紀初至今,我校已經(jīng)為新聞與傳播、政治學與行政學、外語等人文專業(yè)開設了大學數(shù)學課程.但此大學數(shù)學非彼大學數(shù)學,面對高中數(shù)學基礎要求相對較低,學生對數(shù)學更具抵觸情緒,且在全國高校幾無開設此類課程的情形,授課教師面臨一系列難題:
如何選擇合適的內容編寫教材,進而制訂教學大綱?采用何種教學模式更有效?怎樣的考核方式更能體現(xiàn)公平與合理?……
作為教學的依據(jù)與載體,教材是課程教學首先要解決的問題.經(jīng)過幾番深入討論,我們授課教師達成較為一致的意見,那就是:
采用更多樣的視角,不太過數(shù)學化的追求細枝末節(jié)、面面俱到,不用太多的數(shù)學技術鋪墊,但要做到通俗易懂,再兼具一點點有趣.然而,數(shù)學教師總覺得前期不奠定些基礎,后期講述就不清楚.教師習慣了純數(shù)學的講授,哪怕是非常復雜或技巧性很強的數(shù)學題,教師明白以后,似乎可以一勞永逸,因為自己懂得,所以也覺得簡單,但卻忽略了學生的感受.事實上,如鐵桶般嚴密無懈可擊的數(shù)學定義、定理、命題大多數(shù)時候恰是學生懼怕數(shù)學之源,對教師而言卻是不嚴謹則難以忍受,甚至痛苦得很.許多優(yōu)秀的數(shù)學科普讀物在某些地方似乎不夠嚴格詳細,但更少高高在上、曲高和寡的感覺,至少讓人了解數(shù)學思想的普適性和應用的廣泛性.盡管嚴肅與通俗二者微妙的平衡很難把握,但在教材的編寫中也許可以做一嘗試.
基于以上的認識,本書分為上、下兩篇編寫,上篇介紹數(shù)學文化,下篇介紹數(shù)學的應用.上篇的編寫原則是敘述簡單扼要,每章后設置5~8個思考題,為課后的進一步討論學習之用.下篇的主要編寫原則如下:
(1) 省略復雜的計算和技巧性的證明,不設煩瑣的例題、習題,代之以更加基礎平實的內容;
(2) 闡述簡潔清晰,對概念、定理、結論的來龍去脈交代清楚;
(3) 每章后的習題分為自主探索、合作研究兩部分,鼓勵個體較深入的學習探究以及提升與人合作的研究能力.
在課程成績評定方面,教師可以考慮采用過程式考核的評價標準,最終成績包括出勤、課上表現(xiàn)、課后作業(yè)、自主探索或合作研究的報告、期末的閉卷考試幾部分,這樣的評價方式更能體現(xiàn)對學習過程的有效監(jiān)督,成績組成也更趨于合理.
數(shù)學教師思想的轉變在課程的教學中是十分重要的,教師千萬不要將藝術體育類的大學數(shù)學課程等同于理工科的高等數(shù)學課程,不要奢望目標宏大到將文科學生訓練成合格的理工科學生熟練高等數(shù)學的基本概念、掌握必備的計算技能和證明技巧,以及應用數(shù)學解決實際問題的初步能力等.若沿襲高等數(shù)學課程多年一成不變的模式,則我們的教學將是失敗中的失敗,師生都將身心俱疲.鑒于此,本書的初衷是在短時間內向學生傳遞一些重要的數(shù)學文化與數(shù)學應用的內容.而要做到這一點,唯一可行的方案就是在內容取舍上偷工減料但還要不至于顯得莫名其妙,的確很難!我們今天的探索,就在于為藝術體育類的大學數(shù)學課程尋找一個基調,盡管眾口難調.
對于此類課程,也許由數(shù)學大家以百家講壇的模式來講述更為理想,更能做到雅俗共賞.作為教學一線的普通基層教師,在開設此類課程時,更多的是以有限的能力去盡力做一些嘗試,能讓藝術體育類專業(yè)的學生即使不能愛上數(shù)學,至少不再懼怕數(shù)學.希望我們的嘗試能有些許成效.編者十分贊賞將此類課程定位為:
減少對數(shù)學累積的仇恨,搭建一座文理通融的橋梁,傳遞一縷文化的馨香,培養(yǎng)一點數(shù)學的素養(yǎng).教材的前言、第1章至第8章由張若軍編寫,第9章至第11章由劉文靜編寫,最后由張若軍統(tǒng)稿.教材的內容是按照一個學期,每周3學時安排的.在具體的教學過程中,教師可根據(jù)需要做出刪減或增補.帶*的內容難度較大,可作為課外的選讀.
編者十分感謝中國海洋大學教務處對本書出版提供資助和大力支持,也感謝數(shù)學科學學院多年來對數(shù)學公共課教學的重視,尤其是方奇志教務長、謝樹森院長、李長軍副院長給予的關心和鼓勵.還要感謝編者的許多同事在教材編撰方面提供的幫助,使得本書得以順利付梓.鑒于編者的數(shù)學和寫作水平,書中的錯漏之處在所難免,期待廣大同行批評指正,以便日后有機會進行修訂.更希望本書能夠拋磚引玉,以期未來有更優(yōu)秀的、更適合的此類教材出版,能更好地實現(xiàn)數(shù)學教育人文化的目標.
編者
2017年7月
目錄
上篇數(shù)
學 文 化
第1章數(shù)學概述
1.1數(shù)學的定義與內容
1.1.1數(shù)學的諸多定義
1.1.2數(shù)學科學的內容
1.2數(shù)學發(fā)展史概況
1.2.1數(shù)學發(fā)源時期
1.2.2初等數(shù)學時期
1.2.3近代數(shù)學時期
1.2.4現(xiàn)代數(shù)學時期
1.3數(shù)學科學的特點與價值
1.3.1數(shù)學科學的特點
1.3.2數(shù)學科學的價值
1.4數(shù)學與各學科的聯(lián)系
1.4.1數(shù)學與哲學
1.4.2數(shù)學與科學
1.4.3數(shù)學與藝術
思考題1
拓展閱讀1
第2章常用的數(shù)學思想與方法簡介
2.1公理化方法
2.1.1公理化方法的產(chǎn)生和發(fā)展
2.1.2公理系統(tǒng)構造的三性問題
2.1.3公理化方法的意義和作用
2.2類比法
2.3歸納法與數(shù)學歸納法
2.3.1歸納法
2.3.2數(shù)學歸納法
2.4數(shù)學構造法
2.5化歸法
2.5.1特殊化與一般化
2.5.2關系映射反演方法
2.6數(shù)學模型方法
思考題2
拓展閱讀2
第3章三次數(shù)學危機
3.1悖論舉例
3.2第一次數(shù)學危機
3.2.1無理數(shù)與畢達哥拉斯悖論
3.2.2第一次數(shù)學危機的解決
3.3第二次數(shù)學危機
3.3.1無窮小與貝克萊悖論
3.3.2第二次數(shù)學危機的解決
3.4第三次數(shù)學危機
3.4.1集合論與羅素悖論
3.4.2第三次數(shù)學危機的解決
3.5數(shù)學的三大學派
3.5.1邏輯主義學派
3.5.2直覺主義學派
3.5.3形式主義學派
思考題3
拓展閱讀3
第4章數(shù)學美學
4.1數(shù)學與美學
4.1.1數(shù)學美的概念
4.1.2數(shù)學美的一般特征
4.2數(shù)學美的內容
4.2.1簡潔美
4.2.2對稱美
4.2.3和諧美
4.2.4奇異美
4.3數(shù)學美的地位和作用
思考題4
拓展閱讀4
第5章數(shù)學國際
5.1世界數(shù)學中心及其變遷
5.2國際數(shù)學組織與活動
5.2.1國際數(shù)學聯(lián)盟
5.2.2國際數(shù)學家大會
5.3國際數(shù)學大獎
5.3.1菲爾茲獎青年數(shù)學精英獎
5.3.2沃爾夫獎數(shù)學終身成就獎
5.3.3其他數(shù)學獎
5.4國際數(shù)學競賽
5.4.1國際數(shù)學奧林匹克競賽
5.4.2國際大學生數(shù)學建模競賽
思考題5
拓展閱讀5
第6章數(shù)學的新進展之一分形與混沌
6.1分形幾何學
6.1.1海岸線的長度
6.1.2柯克曲線及其他幾何分形
6.1.3分數(shù)維與分形幾何
6.2混沌動力學
6.2.1洛倫茲的天氣預報與混沌的概念
*6.2.2產(chǎn)生混沌的簡單模型移位映射
*6.2.3倍周期分支通向混沌邏輯斯蒂映射
6.3分形與混沌的應用及哲學思考
6.3.1應用舉例
6.3.2哲學思考
思考題6
拓展閱讀6
下篇數(shù)學的應用
第7章代數(shù)學應用專題
7.1百雞問題及其他初等數(shù)論之應用
7.1.1百雞問題
7.1.2同余的概念
7.1.3物不知數(shù)
7.1.4物不知數(shù)問題的解法
7.1.5百雞問題的解法
7.2暗算之保密通信數(shù)論及線性代數(shù)之應用
7.2.1加密通信簡介
7.2.2公開密鑰體制
7.2.3RSA公鑰方案的實施與實例
7.2.4矩陣和行列式的概念
7.2.5加密信息的矩陣傳遞
*7.3幾何作圖三大難題的解決近世代數(shù)之應用
7.3.1幾何作圖的三大難題
7.3.2可構造數(shù)域與尺規(guī)作圖
7.3.3幾何作圖三大難題的解答
習題7
第8章幾何學應用專題
8.1圖形的美與實用初等幾何之應用
8.1.1黃金分割的來源及應用實例
8.1.2方圓合一的自然規(guī)則
8.1.3多邊形內角和與拼裝技術
8.1.4正多面體的種類及應用
8.2遠光燈、機械曲線解析幾何之應用
8.2.1解析幾何之圓錐曲線簡介
8.2.2圓錐曲線的應用
8.2.3遠光燈的原理解析
8.2.4旋輪線(最速降線)的產(chǎn)生及應用
*8.3莫比烏斯帶、迷宮及其他拓撲學之應用
8.3.1拓撲學概述
8.3.2莫比烏斯帶的性質及應用
8.3.3迷宮的走法
8.3.4拓撲學的應用舉例
*8.4網(wǎng)絡的最短路徑微分幾何之應用
8.4.1微分幾何簡介
8.4.2不同尋常的最短路徑
習題8
第9章分析學應用專題
9.1經(jīng)濟學中的邊際效用導數(shù)之應用
9.1.1邊際效用
9.1.2函數(shù)
9.1.3極限
9.1.4導數(shù)
9.1.5導數(shù)的應用
9.2不規(guī)則平面圖形的面積和旋轉體的體積積分之應用
9.2.1問題的提出
9.2.2不定積分
9.2.3定積分
9.2.4定積分的應用
9.3音樂中的數(shù)學級數(shù)的應用
9.3.1簡單聲音的數(shù)學公式
9.3.2音樂結構的數(shù)學本質
9.3.3音樂性質的數(shù)學解釋
9.3.4數(shù)學分析在聲音合成領域中的應用
9.4刑偵學中的數(shù)學微分方程之應用
9.4.1微分方程簡介
9.4.2死亡時間的確定
9.4.3血液中酒精濃度的測定
習題9
第10章概率統(tǒng)計應用專題
10.1直覺的誤區(qū)概率之應用
10.1.1問題的提出
10.1.2直覺的誤區(qū)古典概率
10.1.3會面問題幾何概率
10.1.4無序中的有序統(tǒng)計概率
10.1.5主觀概率
10.2正態(tài)分布最自然的分布
10.2.1隨機變量及其概率分布
10.2.2期望、方差和標準差
10.2.3正態(tài)分布
10.2.4百年燈泡存在的原因
10.2.5醫(yī)院床位緊缺問題的分析
10.3預言美國總統(tǒng)選舉結果隨機抽樣之應用
10.3.1統(tǒng)計學概述
10.3.2抽樣調查
10.3.3美國總統(tǒng)選舉前的民意測驗
10.4池塘里魚的數(shù)量問題最大似然估計之應用
10.4.1由樣本估計總體
10.4.2最大似然估計法的原理
10.4.3池塘里魚的數(shù)量問題
*10.5醫(yī)學中的藥效問題假設檢驗之應用
10.5.1假設檢驗
10.5.2藥物檢測
習題10
第11章運籌學應用專題
11.1對抗與合作博弈論
11.1.1博弈的含義
11.1.2個人利益與集體利益的沖突囚徒困境
11.1.3搭便車智豬博弈
11.1.4狹路相逢勇者勝懦夫博弈
11.1.5雙贏或雙虧情侶博弈和安全博弈
11.1.6混合策略
11.1.7動態(tài)博弈
11.2資源的合理利用規(guī)劃論
11.2.1生產(chǎn)計劃問題線性規(guī)劃
11.2.2背包問題整數(shù)線性規(guī)劃
*11.3四色問題圖論
習題11
習題答案或提示
參考文獻