回过头来再看实数的概念 。非常值得一提的是数轴的直观 。将实数理解为数轴上的点,对于大多数学生是理解实数(包括无理数)的一个有效途径 。有了无理数的例子,再有数轴的直观,对于普通学生就可以有效地讲授实数概念 。换言之,几何直观是理解实数的一个有效途径,对于中学生是不可或缺的 。
对于多数学生有较高难度的定义还有一些,如概率 。对于这类概念,只讲直观而不讲定义,常常是明智的 。但常常还需要给出表达方式,并进一步给出“操作”(如计算)方法 。这样学生就能够运用这些概念,做出有创新性的工作,尽管可能最终也没有完全搞懂某个概念 。此外,通过应用也有可能提升对于概念的理解 。
简言之,如果学生能理解,直接讲定义对于建立数学概念最有效;而若大多数学生不能理解,最起码也不应该讲假的定义,或者忽悠学生 。
在大学数学教程中也有定义方面的问题 。
先来看微积分教程 。随便找一本微积分(或数学分析)教科书,就会看到其中积分(黎曼积分)的定义颇不简单 。在数学分析教程中,一元函数的积分定义为一个颇不平凡的极限,判别其存在性还要用到达布和等,相当复杂而费解 。在非数学专业的微积分教程中,这部分内容只是简化了些(实际上是偷工减料),复杂度基本未变,所以未必比数学分析教科书容易懂;但另一方面,对这些内容都不会布置作业,更不会考试(包括研究生入学考试),徒然浪费时间且让学生头疼 。
顺便指出,各版本中学教科书中的积分概念也是这样写的,对于中学生当然就更头疼了,甚至很多中学教师也看不懂 。
学过实变函数论就知道,一元函数黎曼可积等价于几乎处处连续,直观地说,其实离连续函数没多远 。在黎曼积分的应用中实际上主要是针对连续函数,至多是分段连续函数 。对于一般的学生,由黎曼积分其实只是学到面积的一个定义,何况这还不是一般的定义,例如一条一般的约当单闭曲线所围成的区域的面积,就不能用黎曼积分来定义(在康妥的时代就知道,曲线可能有非零的面积) 。所以,花了那么多的时间那么大的功夫学黎曼积分,只是学到一个特殊情形的面积定义而已 。然而,一般人都有面积的直观,并不需要面积的定义 。(如果关心面积的定义,可以看勒贝格积分或更一般的定义,如动力系统中对于维数和测度的定义 。)因此,为了理解积分的概念,至少对大多数学生,不如局限于连续函数的积分 。
如果将连续函数的积分定义为“有向面积”,就很容易理解且不需要花多少功夫 。具体说,对于闭区间 [a, b] 上的连续函数 f(x),由直线 x=a,x=b,y=0 和曲线y=f(x) 围成的图形具有面积,将直线 y=0 上方的面积看作正的,下方的面积看作负的,这样得到的总面积称为有向面积 。将 f(x) 在 [a, b] 上给出的有向面积称为它的积分,记为
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由此定义不难证明牛顿-莱布尼兹公式
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而积分的一些其他基本性质如
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(r, s为实数),分部积分法、换元法以及一些初等函数的积分等,利用牛顿-莱布尼兹公式都很容易证明 (有些甚至可以作为习题) 。利用张景中先生制作的辅助软件,一堂课就足以讲清楚积分的基本概念和牛顿-莱布尼兹公式,这已经超过中学课程标准的要求了 。至于黎曼积分的原始思想——分割成竖条作面积和再取极限,可以直观地讲一下,不讲也可以,不需要花费很多课时,其实只有少数学生会关注 。
再来看线性代数教程 。“向量”是最重要的基本概念之一 。在目前所见到的很多教科书 (其中有些是早年的) 中,向量定义为有序数组 。这样的定义不仅费解 (与解析几何中的定义相距甚远),而且向量的运算还要另外定义 。一般说来,要直到学了很多内容后才明白向量是什么 。
这样的定义有明显的缺陷,没有揭露向量的本质 。详言之,有序数组是向量在取定的坐标系下的表达,是“how”层面的,而好的定义应该是“what”层面的 。
从“what”层面看,向量就是向量空间的元素,脱离向量空间来讨论向量是没有意义的 。向量的运算,都涉及多个向量以及它们之间的关系 。所以,要明白什么是向量,归根结底要明白向量空间 。
然而,很多线性代数教科书中根本就没有向量空间 。即使有,很多教师也不讲 。常见的理由是,向量空间太“抽象”,学生难以理解 。那么,基于向量空间的很多概念和定理,当然就更不能讲了 。
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