Дальнейшее развитие математической науки в 19 веке основывалось на общем определении функции Дирихле, ставшим классическим
Дальнейшее развитие понятия функции (20 век – ...)
Уже с самого начала 20 века определение Дирихле стало вызывать некоторые сомнения среди части математиков. Еще важнее была критика физиков, натолкнувшихся на явления, которые потребовали более широкого взгляда на физику. Необходимость дальнейшего расширения понятия функции стала особенно острой после выхода в свет в 1930 году книги "Основы квантовой механики" Поля Дирака, крупнейшего английского физика, одного из основателей квантовой механики. Дирак ввел так называемую дельта-функцию, которая выходила далеко за рамки классического определения функции. В связи с этим советский математик Н. М. Гюнтер и другие ученые опубликовали в 30 – 40-х годах нашего столетия работы, в которых неизвестными являются не функции точки, а "функции области", что лучше соответствует физической сущности явлений. Так, например, температуру тела в точке практически определить нельзя, в то время как температура в некоторой области тела имеет конкретный физический смысл.
В общем виде понятие обобщенной функции было введено французом Лораном Шварцем. В 1936 году 28-летний советский математик и механик С. Л. Соболев первым рассмотрел частный случай обобщенной функции, включающей и дельта-функцию, и применил созданную теорию к решению ряда задач математической физики. Важный вклад в развитие теории обобщенной функции внести ученики и последователи Шварца — И. М. Гельфант, Г. Е. Шилов и др.
Методические рекомендации
Школьный курс изучения функции строится по аналогии с развитием в истории понятия функции.
До 7 класса идет накопление знаний, необходимых для введения понятия функции. Рассматриваются зависимости площадей фигур от длины их сторон, радиусов; решаются задачи, в которых одна величина зависит от другой и т. д. Этот курс можно назвать пропедевтическим.
В 7 классе впервые дается определение понятия "функция".
Дается определение функции на основе идеи зависимости и соответствия одной величины от другой. После введения определения понятия можно рассказать о том, где люди встречались с функциональными зависимостями, кто впервые ввел этот термин и что означает само слово "функция". Также в этом классе изучаются различные способы задания функции. Можно более подробно рассказать о табличном способе задания функции как о наиболее старом: привести примеры из истории математики, рассказать о значении и роли математических таблиц для математиков прошлых столетий. Примерами могут служить таблицы квадратов, кубов чисел, арифметических и квадратных корней, которые учащиеся могут увидеть на форзацах своих учебников, которыми они будут пользоваться позже.
Чуть позже можно познакомить учащихся с тем, что функция может быть не только от одной переменной, но и от нескольких. Полезно будет рассказать о французском математике Николе Ореме и его работе "О конфигурации качества", в которой он высказал идею функциональной зависимости от одной, двух и трех переменных и ее графическом изображении.
В 9 классе еще раз дается определение функции на основе идеи зависимости одной переменной от другой: "Функцией называют такую зависимость переменной y от переменной x, при которой каждому значению переменной x соответствует единственное значение переменной y". Можно дать учащимся задание проследить в истории математики, на каком этапе развития понятия функции появляется такое определение и кто его вводит. Кроме того, в этом классе вводится символическое обозначение функции. Учащимся необходимо рассказать, кто ввел эту запись.
В 10 – 11 классах вводится современное понятие функции как соответствия между двумя множествами: "числовой функцией с областью определения D называется соответствие, при котором каждому числу x из множества D сопоставляется по некоторому правилу число y, зависящее от D". Снова нужно проследить, когда появляется впервые такое определение, в чем его отличие от ранее существовавших.
Одному – двум учащимся можно предложить подготовить доклад на тему "История развития понятия функции". Можно дать сравнение уже известных им определений функции с новым определением после того, как этот доклад будет представлен в классе.
Нужно напомнить учащимся о том, что математика возникла из практических нужд человека, отсюда необходимо введение нового определения функции. Здесь нужно сказать о проблеме, с которой столкнулись физики, в частности, Поль Дирак; упомянуть его дельта-функцию, которая выходит далеко за рамки классического определения функции. Необходимо также сказать о работах, в которых неизвестными являются не функции точки, а "функции области", что лучше соответствует физической сущности явления.
Нужно также сказать и о том, что на этом развитие понятия функции не остановилось (понятие обобщенной функции) и, скорее всего, будет изменяться дальше, приспосабливаясь к нуждам науки.
Заключительное занятие по теме "функция"
Построение занятий в форме лекций полезно в хорошо подготовленных классах, где школьники способны воспринимать новый материал, хорошо ориентируются в изученном материале.
К сожалению, таких классов в современной школе становится все меньше и меньше, поэтому заключительное занятие я предлагаю провести по следующему плану: лекционный материал об истории развития понятия функции, проверку и закрепление знаний, решение примеров и задач необходимо чередовать. Важно проследить связь понятия "функция" с другими предметами, с повседневной жизнью.
Лекцию, читаемую учителем, слушать, безусловно, приятнее, но для учеников лучше принять непосредственное участие в подготовке урока.
Для проведения занятия я предлагаю раздать сообщения (на 3 – 5 минут каждое). Необходимо каждому из докладчиков помочь в работе над сообщением, продумать с ним план выступления, попытаться предугадать вопросы, которые могут последовать из аудитории.
Темы сообщений могут быть следующими (часть докладов можно взять из представленного реферата, переработав их предварительно для имеющегося уровня знаний учеников):
Понятие функции в математике до 17 века.
Функции вокруг нас (рассказ о значении функции в жизни человека).
Понятие функции через механическое и геометрическое представление (Виет, Декарт).
Функции в физике и геометрии.
Аналитическое определение функции (2 человека: история + конкретные примеры).
Идея соответствия.
Примеры использования понятия функции в естествознании (химия, биология).
Современное состояния понятия "функция" (готовит учитель для наиболее сильных классов).
О проведении урока следует объявить за 3 – 4 недели, подготовить стенгазету с анонсами предстоящих докладов.
Сам урок можно провести в виде конференции на тему: "Нужна ли нам функция". Желательно вовлечение в диспуты всех учеников класса.
Приложение
Бернулли Иоганн (1667 – 1748 гг.)
Швейцарский математик. Был сотрудником Лейбница в разработке дифференциального и интегрального исчислений, в области которых им был сделан ряд открытий. Дал первое систематическое изложение дифференциального и интегрального исчислений, продвинул разработку методов решения обыкновенных дифференциальных уравнений, поставил классическую задачу о геодезических линиях и нашел характерное геометрическое свойство этих линий, а позднее вывел их дифференциальное уравнение.
Больцано Бернард (1781 – 1848 гг.)
Чешский математик, философ, теолог. Первым (1817) выдвинул идею арифметической теории действительного числа. В его сочинениях можно найти ряд фундаментальных понятий и теорем анализа, обычно связываемых с более поздними исследованиями других математиков. В "Парадоксах бесконечного" (изд. 1851) Больцано явился предшественником Кантора в исследовании бесконечных множеств.
Даламбер Жан Лерон (1717 – 1783 гг.)
Французский математик, механик, философ. Основные математические исследования относятся к теории обыкновенных дифференциальных уравнений. Дал (1748) метод решения дифференциального уравнения второго порядка с частными производными, выражающего малые колебания бесконечной однородной струны (волнового уравнения), в виде суммы двух произвольных функций. Ему принадлежат также важные результаты в теории обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами и систем таких уравнений первого и второго порядков. В теории рядов его имя носит широко употребительный достаточный признак сходимости. В алгебре дал первое (не вполне строгое) доказательство основной теоремы о существовании корня у алгебраического уравнения. Много труда вложил в "Энциклопедию наук, искусств, ремесел", для которой он написал всю физико-математическую часть.
Декарт Рене (1596 – 1650 гг.)
Французский философ, математик, физик. Он является одним из основоположников аналитической геометрии. В его главном математическом труде "Геометрия" (1637) впервые введено понятие переменной величины, создан метод координат (декартовы координаты), введены общепринятые теперь значки для переменных величин (x, y, z, ...) буквенных коэффициентов (a, b, c, ...), степеней (x3, a5, ...). Декарт положил начало ряду исследований свойств уравнений; сформулировал правило знаков для определения числа, положительных и отрицательных корней (правило Декарта); поставил вопрос о границах действительных корней и выдвинул проблему приводимости (представления целой рациональной функции с рациональными коэффициентами в виде произведения двух функций такого же рода); указал, что уравнение третьей степени разрешимо в квадратных радикалах и его корни находятся с помощью циркуля и линейки, когда оно приводимо.