求極大值與極小值的方法

求極大值與極小值的方法

求極大值與極小值的方法(Methodus ad disquirendam maximam et minimam),是17世紀西方的數學著作,由法國數學家費馬(Fermat,P.de)著,寫於1636年前。該文記述了費馬利用“準等式”求極值的著名方法,是微分學前史上的重要經典文獻。

費馬的《求極大值與極小值的方法》有兩個重要的套用,第一個是求曲線切線,第二個是確定幾何形的重心。費馬實際上是利用了一個無窮小增量,這種方法應以極限理論為基礎,但費馬並沒有嚴格的極限工具。

基本信息

起源

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費馬的求極值的方法跟他的坐標幾何思想一樣,也是起源於將韋達(Viete,F.)的代數套用於帕普斯(Pappus,(A))的著作《數學彙編》中的一個問題的研究.帕普斯曾嘗試將一已知線段分成數份,使部分線段所成矩形相互成最小比。在對這一問題的代數分析中,費馬意識到可以將其與二次方程聯繫起來。他認為這意味著方程的常數項只能使方程只有單一的重根的特殊值。如對於由極值問題導致的二次方程,基於它有兩相異根x、y的假定,費馬得到 和 ,因而有b=x+y,c=xy。費馬然後考慮了一個重根,即x=y的情形,他發現:

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如此便求得問題的正確解,費馬認為他的方法是完全普遍的。

內容

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在《求極大值與極小值的方法》中,費馬將假定的兩個相異根記為A和A+E(即x和x+y),其中E表示根之間的差。例如求表達式 的極大值,費馬如下進行:令 ,由假定:

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因而:

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用y除上式得方程:

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這一關係對形如 的任意方程都成立。但當 是極大值時方程有一個重根,即x=x+y或y=0,所以:

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費馬的方法適用於任意多項式p(x)。為了運用韋達的方程理論確定多項式的係數之一與根的關係,他故意假定了兩相等根的不等性,當費馬使兩個根相等時,這一關係就導致了一個極值解。費馬稱其令兩根相等之前的方程為“準等式”。

套用

費馬的《求極大值與極小值的方法》有兩個重要的套用,第一個是求曲線切線,第二個是確定幾何形的重心.費馬實際上是利用了一個無窮小增量,這種方法應以極限理論為基礎,但費馬並沒有嚴格的極限工具。

1638年春,費馬的求極大、極小方法和求切線法引起了費馬與笛卡兒(Descartes,R.)之間一場關於優先權的爭論。但跟坐標幾何的情形一樣,他們很快便認識到了對方各自的獨創性。1642年,費馬的方法發表後,許多數學家很快便得到了他們各自更一般的方法.不久,費馬關於極大、極小值的方法就被牛頓(Newton,I.)和萊布尼茨(Leibniz,G.W.)的微積分所取代。

費馬

皮耶·德·費馬(Pierre de Fermat)是一個17世紀的法國律師,也是一位業餘數學家。之所以稱業餘,是由於皮耶·德·費馬具有律師的全職工作。根據法文實際發音並參考英文發音,他的姓氏也常譯為“費爾瑪”(注意“瑪”字)。費馬最後定理在中國習慣稱為費馬大定理,西方數學界原名“最後”的意思是:其它猜想都證實了,這是最後一個。著名的數學史學家貝爾(E. T. Bell)在20世紀初所撰寫的著作中,稱皮耶·德·費馬為”業餘數學家之王“。貝爾深信,費馬比皮耶·德·費馬同時代的大多數專業數學家更有成就。17世紀是傑出數學家活躍的世紀,而貝爾認為費馬是17世紀數學家中最多產的明星。

費馬的主要成就有:

(1)對解析幾何的貢獻:費馬獨立於勒奈·笛卡兒發現了解析幾何的基本原理。

(2)對微積分的貢獻:費馬建立了求切線、求極大值和極小值以及定積分方法,對微積分做出了重大貢獻。

(3)對機率論的貢獻:17世紀,法國的帕斯卡和費馬研究了義大利的帕喬里的著作《摘要》,建立了通信聯繫,從而建立了機率學的基礎。費馬和布萊士·帕斯卡在相互通信以及著作中建立了機率論的基本原則——數學期望的概念。

(4)對數論的貢獻:費馬在數論領域中的成果是巨大的,其中主要有:費馬大定理、費馬小定理等。

(5)光學的貢獻:費馬在光學中突出的貢獻是提出最小作用原理,也叫最短時間作用原理。

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