微积分教学中反例的应用

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  摘要:本文通过具体实例,来加强学生在微积分学习中对概念的理解,进而培养学生的创造精神、提高学生纵向思维的能力。
  关键词:应用 反例 微积分 高等数学微积分是高等数学的主要部分,它是我院高职一年级学生必修的一门重要基础课程。它可以为学生学习后继课程和解决实际问题提供必要的数学基础。通过各个教学环节,可以逐步培养学生比较熟练的运算能力,综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力,初步抽象概括能力、自觉力图经及一定的逻辑推理能力,我院根据各专业的实际需要,对数学教学的基本要求是“以应用为目的,以必须够用”为原则,以“强化概念理解,注重应用计算为依据,对微积分中的重要性质、定理、公式只作介绍,侧重于应用计算,不做证明与推导,在数学教学中,常会遇到一些值得思考的问题,对它们不可能在教材中进行详细讨论,但要弄清楚这些问题,对提高学生的纵向思维却极其重要,这就要求思考者具有高超的分析思维能力。通过应用反例直入主题,切重要害,它能起到事半功倍的作用,很受学生欢迎。本文围绕高等数学中的重要分支微积分中的连续性、可微性和可积性进行具体探讨反例在微积分教学中的作用。
  一、两个无穷小的商一定是无穷小吗?
  在无穷小性质的教学中,根据性质有一条推论:有限个无穷小量的乘积一定是无穷小量。学生在学习这一问题时常会问:两个无穷小量的商一定是无穷小量吗?对于这一结论大部分同学认为是正确的。不妨举一个反例:
  如: =0, =0都是无穷小量,而 (第一个重要极限),显然,两个无穷小量的商不一定是无穷小量,也就得出了两个无穷小量的商不一定是无穷小量的结论。
  二、最大值与最小值定理中条件改变一定还存在最大值与最小值吗?
  最大值与最小值定理的内容是闭区间[a,b]上连续函数一定存在最大值与最小值(据团区间上的连续函数的性质)。
  1、在定理中,如果将闭区间[a,b]改为开区间(a,b),那么结论不一定成立。
  如求f(x)=x在区间(2,4)上的最大值与最小值。
  显然函数f(x)=x在开区间(2,4)上连续,且在该区间内单调增加,所以函数的最大值与最小值应在区间的两端点处取得,而函数在两端点处无定义,所以f(x)=x在开区间(2,4)上不能取得最大值与最小值。
  2、在定理中,如果闭区间[a,b]内存在间断点,结论不一定成立
  如
  f(x)=
  考虑函数f(x)在闭区间[0,2]上的最大值与最小值
  因为
  即 不存在,即在闭区间[0,2]上有间断点且x=1是第一类跳跃间断点,所以f(x)在[0,2]上不能取得最大值与最小值。
  三、函数在闭区间上有原函数一定可积吗?
  在积分学中,微积分基本公式即牛顿-莱布尼兹公式是个十分重要的公式,它将不定积分与定积分巧妙的结合起来,它揭示了定积分被积函数的原函数(不定积分)之间的联系。给定积分的计算提供了一个很好的计算方法,简化了定积分的计算。
  上述公式是学生记忆中的公式,F(x)是连续函数f(x)在[a,b]上的一个原函数,这样使定积分的计算转化成了求被积函数一个原函数的问题。因学生容易忽视f(x)连续的条件,认为在应用此公式时f(x)连续的条件是多余的。
  定义函数如下:
  首先证明,这个函数存在原函数,我们指出,下面这个函数就是它的原函数:
  为此目的,只需证明 对任何x∈[0,1]成立,而0  现在来考虑 的定积分是否存在,其实容易看出它在闭区间[0,1]无界,因为任意 ,函数 在区间(0, )无界,在这个区间上, 是无穷小量和有界量的乘积,是无穷小量,但 这一项却是在正无穷与负无穷之间反复振动的量,例如取 ,则其值为 ,但若取 ,则其值为 ,只要n充分大,便可使 ,同时 却可以大于任何预先给定的正数。这就是说,任意 ,函数 在区间(0, )无界,从而在闭区间[0,1]无界,而我们知道闭区间上的无界函数是不可积的,所以 的定积分不存在。
  综合上面的结果,函数在闭区间上存在定积分与存在原函数没有必然联系。
  在微积分教学中,反例的试举已成为提高教学质量的重要一环。它对培养学生的数学思维能力方面的作用是非常显著的,它不仅是有助于学生纵向思维的培养,尤其对培养和发展横向的思维能力具有不可缺少的作用。“反例教学”要求学生开放式思考问题,激发他们的想象与联想,让他们学会从不同的角度不同的层次上多方位地洞察具体问题,鼓励他们敢于大胆地想出新的观点,新的思路,新的问题。这对于培养他们分析和解决问题的能力是十分有益的。
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