Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Shvedenko_Nachala_matematicheskogo_analiza_2011

.pdf
Скачиваний:
701
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
5.86 Mб
Скачать

Министерство образования и науки РФ

Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”

С.В. Шведенко

НАЧАЛА МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Числа и множества чисел. Последовательности и их пределы. Пределы и непрерывность функций. Дифференциальное исчисление функций одной переменной

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

УДК 517 (075) ББК 22.161я7

Ш34

Шв е д е н к о С. В. Начала математического анализа (Числа и множества чисел. Последовательности и их пределы. Пределы и непрерывность функций. Дифференциальное исчисление функций одной переменной):

Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011.– 324 с.

Дано систематическое изложение начальной части курса математического анализа, охватывающей материал, изучаемый на основных факультетах МИФИ в первом семестре.

Книга адресована студентам, приступающим к изучению математического анализа как по обычной, так и по углубленной программе.

Подготовлена в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. Л.А. Муравей

ISBN 978-57262-1476-4

c

Национальный

 

исследовательский ядерный

 

университет “МИФИ”, 2011

3

Предисловие

Предлагаемое здесь изложение начал математического анализа основано на лекциях, читанных автором студентам Высшего физического колледжа и (в сокращенном виде) других факультетов МИФИ, и охватывает материал, изучаемый в первом семестре.

Структуру предлагаемого изложения во многом определило одно замечание касательно содержания курса математического анализа, услышанное автором (в бытность студентом первого курса Московского университета) от акад. И.К.Кикоина.

Когда на одной из лекций по физике выяснилось, что студентыпервокурсники не знают формулу Эйлера1, И.К.Кикоин выразил

не просто удивление, а возмущение по этому поводу, присовокупив слова: “Я скажу “математикам”, чтобы они вам ее вывели” .

Были переданы эти слова “математикам” или нет, осталось неизвестным, но ожидаемого влияния на курс анализа они тогда не произвели. Автор же этих строк сказанное запомнил, и когда сам стал “математиком”, счел необходимым учесть мнение выдающегося физика, понимая, что оно весомее мнения всех не согласных с ним методистов от математики вместе взятых. Трудность состояла “лишь” в том, что сделать это надо было на основе только понятий и фактов, изучаемых в первом семестре.

Как это нередко бывает, решение этой задачи одновременно позволило решить и другие, еще более важные:

дать внятное и исчерпывающее определение (с обоснованием

свойств) степени положительного числа с любым действительным показателем то, от чего обычно отказываются (ввиду

трудности задачи) в курсах анализа; дать свободные от логических изъянов доказательства пре-

дельных соотношений (“замечательных пределов” ) lim sin x = 1

x→0 x

и lim 1+ 1 x = e.

x→∞ x

1 eit = cos t +i sin t.

4

При написании курса автор считал необходимым удержать взятый уровень изложения, категорически не принимая метод “выборочной строгости”, когда обстоятельность при обсуждении “удобных” вопросов сменяется поспешностью при обращении к вопросам “неудобным”1, а недостаточность аргументации прикрывается бодрыми словосочетаниями “хорошо известно”, “легко

видеть”, “нетрудно показать” 2.

К особенностям курса надо отнести включение Приложений I и II, содержащих начальные сведения о символическом языке и многочисленные примеры символической записи.

Ориентируясь, в первую очередь, на студентов, желающих как можно больше узнать о предмете (и хоть немного об истории и участниках его становления), автор хотел быть полезным и тем, кого интересует лишь необходимый минимум для сдачи экзамена. Отчасти этоой цели служит (помимо включения Приложения II и алфавитного указателя) выделение акцентируемых фраз и слов другим шрифтом3, а дополнительного материала шрифтом меньшего размера (с широким применением сносок).

Все приводимые понятия и факты анализа проверены по первоисточникам и сопровождаются выдержками из оригинальных текстов с указанием их точных координат.

Автор признателен Д. С. Теляковскому за помощь в подготовке книги к печати.

Электронный адрес автора: sershvedenko@mail.ru

1 А это, прежде всего, внятное определение степени, без которого слишком много выпускников вузов воспринимают 2π как “ число 2, умноженное на себя примерно 3, 14 раза”, и приходят в замешательство

от вопроса, что такое 1+ x1 x, например, при x =2.

2Подобные словосочетания не украшают лекционный курс, а в письменном его изложении просто недопустимы: читатель лишен возможности возразить: “ Так покажите, раз нетрудно!

3При этом главные утверждения курса (именные и имеющие традиционные названия) снабжены титулом теорема, критерий и т. п., а утверждения “второго ряда” выделены двойной вертикальной чертой.

5

Введение

Как организована математика

Математика1 есть способ познания через составление и сопоставление понятий, связующим среди которых является число 2.

Понятия то, с чем имеет дело математика, это не реальные, а исключительно мыслимые предметы и отношения между ними. Существуют они (включая те, за которыми стоят реальные предметы и отношения) лишь в воображении и лишь в силу их определений внятных словесных описаний вменяемых им признаков и свойств3; обращаться с понятиями значит оперировать их определениями.

Поскольку определения это словесные конструкции, оперировать с ними надлежит по правилам логики4, усвоение которых есть необходимый элемент (если не главная цель) математического образования.

Для упорядочения результатов математической деятельности их оформляют в самостоятельные (но взаимодействующие между собой) математические теории связные изложения отдельных направлений (ветвей) математики5.

1 Этим словом µαθηµατ´ α (по греч. выученное) древнегреческий

философ Пифаг´ор (Пυθαγoρας´ , ок.570 – ок.480 до н. э.) и его окружение (пифагорейцы) обозначали познания, постигаемые через числа.

2 Экспериментальный факт: оперируя любыми математическими объектами, неизбежно приходят к действиям с числами.

3Отсюда следует важный вывод: любой математический объект (в отличие от любого реального) описывается конечным набором слов.

4Логика (от греч. λoγoς´ слово, разум) — наука о законах мыш-

ления и правилах словесного оформления рассуждений.

5 Разделять математику на отдельные ветви начали пифагорейцы, изначально выделившие в ней арифметику, музыку, геометрию и сферику (то, что теперь называют астрономией).

6

Любую из них характеризуют:

a) набор охватываемых этой теорией понятий;

б) перечень истинных утверждений об этих понятиях;

в) способы установления истинности утверждений. Построение любой математической теории состоит в

том, что cопоставлением охватываемых ею понятий приходят к тем или иным умозаключениям, пополняющим сведения об этих понятиях и приводящим к новым понятиям.

Схематически это выглядит так: cформулировав некое (правдоподобное или желаемое) утверждение о понятиях теории, выясняют, является ли оно истинным, или, как говорят, теоремой1 теории, понимая под этим выводимость

этого утверждения по принятым в данной теории правилам2 из уже имеющихся в ней истинных утверждений.

Неизбежным при таком подходе оказывается принятие некоторых утверждений за изначально истинные в данной теории ее аксиомы3. О том, какие утверждения теории считать ее аксимомами, а какие теоремами (выводимыми из аксиом и уже доказанных теорем), решают отдельно в конкретной математической теории, называемой при таком способе ее построения аксиоматической.

Развитие аксиоматической теории выражается в пополнении как списка охватываемых ею понятий (развитие теории “вширь”), так и списка истинных утверждений об этих понятиях (развитие теории “вглубь”).

1Греч. θεωρηµα´ правило.

2Выработкой правил вывода в отношении математических утверждений занимается математическая логика. В ходе ее развития выяснилось, что истинность утверждения теории и его выводимость в

данной теории все-таки не одно и то же; подробно об этом (и о многом другом) можно с интересом прочитать в книге Ю.И. Манина [16].

3 Греч. αξ´ιωµα требование, предписание.

7

Часто бывает, что аксиоматические теории, имея разные списки исходных понятий и аксиом, совпадают по набору охватываемых понятий и истинных утверждений об этих понятиях1. О таких аксиоматических теориях говорят, что они эквивалентны. На практике это выражается в разных способах изложения математических дисциплин.

Среди эквивалентных аксиоматических теорий предпочтительнее те, понятия которых имеют более зримые образы, а аксиомы лучше согласуются с наглядными представлениями: следует способствовать подключению воображения

иинтуиции, играющих не последнюю (а подчас определяющую) роль в математических изысканиях.

Непременное требование к любой аксиоматической теории ее непротиворечивость: утверждение и его отрицание (противоположное утверждение) не могут быть оба истинны (выводимы из аксиом теории). Проверка непротиворечивости аксиоматических теорий и действующих в них правил вывода входит в круг задач математической логики.

Втак называемых формальных аксиоматических теориях запись утверждений и рассуждений ведется на специально разработанном искусственном символической языке

счетко прописанными алфавитом (набором используемых

вязыке символов) и синтаксисом (правилами составления

ипреобразования комбинаций символов).

Взаписи на этом языке утверждения принимают вид

формул, а их доказательства (и вообще рассуждения)

преобразований выражающих их формул по четко прописанным правилам.

1Какие-то из аксиом одной теории оказываются теоремами другой

инаоборот (так же как какие-то понятия, принимаемые за исходные

водной теории, являются определяемыми в другой и наоборот).

8

Неформальные, или содержательные, аксиоматические теории излагаются на обычном языке общения, их формулировки списки исходных понятий и аксиом не так внятны и точны как в формальных теориях, а рассуждения основываются на интуитивной (естественной) логике

врожденном человеческом “здравом смысле”. Достаточное представление о неформальных аксиоматических теориях

дает курс школьной геометрии.

Неуклонной тенденцией является постепенная формализация математических теорий, проявляющаяся как во все б´ольшем использовании символической (ф´ормульной) записи математических утверждений (на специально разрабатываемом искусственном языке), так и, что особенно важно, замене чувственной оценки убедительности рассуждений проверкой правильности преобразований выражающих эти утверждения формул.

Ситуация несколько напоминает ту, которая сложилась в грече-

ской математике два с половиной тысячелетия назад, когда ограниченность возможностей чисто наглядного способа доказательств (“ смотри!”) привела к распространению косвенного1, суть которого состоит в том, что доказательством истинности того или иного утверждения служит выведение противоречия из предположения, что данное

утверждение ложно. Известный из школы (и считающийся первым в

истории) пример утверждения, поддающегося лишь косвенному доказательству (см. с. 281) это иррациональность числа 2.

Достигаемая формализацией цель исключить возможность двусмысленностей и противоречий, нередко проявляющихся в обычных языках общения2 и в рассуждениях с

1Часто называемый способом “от противного”, или “приведения к абсурду” (лат. “reductio ad absurdum”).

2Примером их проявления может служить школьный диалог:

“У Кутузова не было одного глаза.” “Неправда! У Кутузова был один глаз!”

9

позиции “наглядной очевидности” и “здравого смысла”.

О том, как подводят соображения “наглядной очевидности” при обращении с бесконечными множествами, видно на примере сопоставления двух истинных утверждений1:

“между любыми двумя рациональными числами есть иррациональное число” и

“между любыми двумя иррациональными числами есть рациональное число”.

С “наглядной очевидностью” из этих утверждений следует вывод:

“рациональных чисел столько же, сколько иррациональных” , а это утверждение ложно (см. с. 47).

Формализацию математических теорий на деле никогда не доводят до конца,2 и говорить имеет смысл лишь о том или ином уровне формализации соотношении между на- глядно-образыми и формульно-логическими способами рассуждений. В каждом конкретном случае приходится искать оптимальный балланс между ними3 : чрезмерная формализация сковывает интуицию и творческое воображение, недостаточная же не гарантирует правильности выводов.

Надо еще учесть, что “ особенности человеческой психики делают формальные выводы практически не поддающимися проверке, даже если согласиться, что в принципе это идеальный вид доказательства. Два обстоятельства действуют в одну сторону с губительным эффектом: формальные выводы гораздо длиннее текстов на арго4, скорость их сознательного чтения человеком гораздо ниже.” ([15, с. 55]).

1 Доказательства их истинности приведены далее (см. с. 47–48).

2Тем более что изложить чисто формальными средствами можно отнюдь не всякую содержательную теорию.

3Что сходно выбору оптимального соотношения между двумя способами восстановления событий: разговором с очевидцами и обращением к документам: в каких-то случаях можно ограничиться разго-

вором, в других разговор требует документального подкрепления, в третьих истину можно установить только на основе документов.

4 Имеются в виду математические тексты на традиционных языках общения.

10

Выход часто видят в построении “параллельных” математических теорий, имеющих разную степень формализации. Так, наряду с воспринимаемой лишь узким кругом специалистов формальной теорией множеств1, существует общедоступная “наивная” теория множеств, отнюдь не свободная от противоречий, но тем не менее служащая основой для большинства неформальных математических теорий, в частности, математического анализа.

Аксиоматическую теорию называют дедуктивно полной2, если лю-

бое правильно составленное утверждение о ее понятиях либо доказуемо (выводимо из аксиом), либо опровержимо (когда выводимым из аксиом оказывается отрицание этого утверждения). Хотя дедуктив-

но полные аксиоматические теории существуют (примеры приведены в гл. IV книги А. Робинсона [20]), они все же являются редкостью. Об

этом свидетельствует знаменитая теорема Г¨еделя3 о неполноте (1931 г.), утверждающая, что в рамках любой формальной аксиоматической теории, содержащей в качестве составной части арифметику целых чисел, есть истинные, но не доказуемые утверждения4.

Истинность любой математической теории понимают исключительно как ее непротиворечивость:

“Математика в своем развитии совершенно свободна и связана лишь тем само собой разумеемщимся условием, что

еепонятия должны быть непротиворечивы, а также долж-

1Есть несколько ее вариантов, наиболее известный из которых

теория множеств Цермело–Френкеля (ее изложение можно найти,

например, у Ю. И. Манина [15], А. Френкеля и И. Бар-Хиллела [25], Дж. Шенфилда [28]).

2Лат. deductio выведение.

3G¨odel, Kurt (1906–1978) американский математик (родом из Ав- стро-Венгрии).

4 Точные формулировки этой теоремы у Ю. И. Манина [15] (на с. 87), А. Френкеля и И. Бар-Хиллела [25] (на с. 364), Дж. Шенфилда [28] (на с. 199–200); доступное толкование у Ю.И.Манина [16] (на с. 92–109).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]