经典再现:《流形上的微积分》时隔近20年再版,探索高等微积分的现代处理

高等微积分经典教材《流形上的微积分》再版!深入探讨多元函数微积分,采用现代方法处理经典结论,为学习微分几何打下坚实基础。

原文标题:这本时隔近20年的微积分进阶教材终于再版了!!读者评价“应当作为本科必读的教材”

原文作者:图灵编辑部

冷月清谈:

《流形上的微积分》作为高等微积分的经典教材,时隔近20年再次出版。本书由数学家齐民友和路见可翻译,译本质量高,曾被国内多所高校采用。本书深入浅出地探讨了多元函数的微积分,利用微分流形和微分形式对经典结论进行现代化处理,内容涵盖欧几里得空间上的函数、微分、积分、链上的积分以及流形上的积分。阅读本书需要扎实的微积分基础、线性代数和集合论知识,以及对抽象数学的理解。译者指出,本书以现代方法探讨初等内容,对于读者在数学上的发展具有重要价值。本书不仅适合作为教材,也对希望深入理解微积分本质的读者有很大帮助,重点在于通过严谨的定义和现代化的工具,让读者能够更清晰地理解微积分的核心概念,并为进一步学习微分几何打下基础。

怜星夜思:

1、《流形上的微积分》强调了现代方法处理经典结论的重要性。那么,在学习数学或其他学科时,我们应该如何平衡经典理论的学习和现代方法的使用?
2、书中提到斯托克斯定理有多种形式,并且它的发展历史也很有趣。你认为数学定理的演变和推广对于数学发展有什么意义?
3、本书强调了定义在数学学习中的重要性,认为好的定义能够简化证明过程。你在学习数学时,是否也体会到定义的重要性?你是如何理解和记忆数学定义的?

原文内容

《流形上的微积分》这本书在2006时在图灵出版,受到广泛的喜爱和推荐。译者分别是数学家、教育家、武汉大学原校长齐民友和中国数学会原常务理事、数学家路见可,译本质量很高。曾经一度成为众多国内高校的教材。


此前出的是双语版,此次保留了中文版。


本书主要涉及高等微积分的知识,对于一些经典结论进行了现代化的处理,利用微分流形和微分形式,简明而系统地讨论了多元函数的微积分。全书共5章,包括欧几里得空间上的函数、微分、积分、链上的积分、流形上的积分。内容深入浅出,论证严格却易于理解。阅读本书需要具备坚实的微积分基础,熟悉线性代数和集合论符号。除此之外,对抽象数学的理解也是必不可少的。


两位译者评价此书说到“本书内容是初等的,但是探讨的方法都是现代的。它与我们常见的经典的微积分教材比较,具有明显的特色。……特别是处理方法对读者在数学上的发展有着非常重要的价值。”

来源 | 《流形上的微积分》
作者 | [美] 迈克尔·斯皮瓦克(Michael Spivak)
译者 | 齐民友,路见可


“高等微积分”中有一些部分,因为其概念和方法比较复杂,所以在初等水平上难以严格处理.本书就是专门讲述这些部分的.这里采用的探讨方法是复杂的数学中初等形式的现代方法.作为正式要求的预备知识只需要一学期的线性代数知识,对集合论的记号略有了解,以及一门内容合适的大学一年级微积分课[其中至少应提到实数集的上确界(sup)与下确界(inf)].除此之外,对抽象数学一定程度的熟悉(哪怕是潜在的)也几乎是不可缺少的.

本书前半部的内容是高等微积分中的简单部分,它把初等微积分中的一些内容推广到高维.第 1 章是预备知识,第 2 章、第 3 章分别讨论微分和积分.

本书其余部分用于研究曲线、曲面和更高维的类似物.这里,现代的和经典的处理方式按照完全不同的思路进行,其间有许多交汇点,最终汇合在最后一节.印在本书(英文版)封面上的那个很经典的方程也是本书中的最后一个定理(斯托克斯定理).这个定理具有奇妙的历史,它经历过惊人的变化.

这个定理在威廉·汤姆森爵士(Sir William Thomson)[即后来的开尔文勋爵(Lord Kelvin)]于 1850 年 7 月 2 日致斯托克斯的信末附笔中被首次提出.它公开出现则是在 1854 年,作为当年史密斯奖的第 8 道竞赛题.这个竞赛由斯托克斯教授主持,每年由剑桥大学最好的数学学生参加.到他去世之时,这个结果就广为人知了.人们将其命名为斯托克斯定理.与他同时代的人至少对此给出过三个证明:汤姆森发表了第一个,第二个见于汤姆森和泰特(Tait)所著的《论自然哲学》(Treatise on Natural Philosophy),麦克斯韦(Maxwell)在《电磁论》(Electricity and Magnetism)[13] 中又给出了第三个证明.此后,斯托克斯的名字被用于更一般的结果,在数学的某些领域的发展中显然如此重要,以至于斯托克斯定理可以看作“推广”的价值的一个例证.

本书中斯托克斯定理有三种形式.斯托克斯本人得到的形式在最后一节,还有和它不可分离的伴随定理——格林定理和散度定理.这三个定理,也就是本书(英文版)副标题里提到的经典定理,很容易从一个现代的斯托克斯定理推导出来,后者出现在第 5 章靠前的部分.经典定理关于曲线和曲面所讲的内容就是这个现代的斯托克斯定理关于它们的高维类似物(流形)所讲的内容,这在 5.1 节中进行了深入的研究.研究流形的理由仅从它在现代数学中的重要性就足以说明,其实它并不比详细研究曲线和曲面更费力.

读者可能会以为现代斯托克斯定理至少和可以由它推导出的经典定理一样难.其实不然,它只不过是斯托克斯定理的另外一种讲法的一个很简单的推论.

这个很抽象的讲法是第 4 章最后的也是主要的结果.完全有理由设想,迄今回避的难点必然隐藏在这里.然而这个定理的证明在数学家看来却是自明的——只是直接的计算而已.但是,如果没有第 4 章中大量复杂的定义,这个自明的陈述恐怕都令人无法理解.这里有一些好的理由说明为什么定理如此容易而定义却很难.

斯托克斯定理的发展表明,一个简单的原理可以化装成好几个复杂的结果.许多定理的证明只不过是撕掉这层伪装罢了.另外,定义有双重目的:它们既以严格的概念代替模糊的想法,又是非常好的证明工具.第 4 章前两节准确地定义了经典数学中所谓“微分表达式”P dx + Q dy + R dz 或 P dx dy + Q dy dz + R dz dx是什么,并且证明了它们的运算规则.在 4.3 节中定义的链以及单位分解(在第3 章里已介绍)使我们不必在证明中把流形切成小块.它们把有关流形的问题转化成关于欧几里得空间的问题.每件在流形里看起来很难的事,在欧几里得空间里却都很容易.

把一个主题的深奥之处集中到定义上去,无可否认是很省事的,但这必定会给读者造成一些困难.我希望读者鼓起勇气彻底学好第 4 章,确信这些努力是值得的:最后一节中的经典定理只代表了第 4 章的少数应用,而绝不是最重要的应用.许多其他的应用放在习题里,读者查阅参考文献还可以找到进一步的发展.

关于习题和参考文献还要讲几句,本书大多数小节末都有习题,并且(和定理一样)按章编号.加了星号的问题表明正文要用到其结果,但是这种谨慎其实是不必要的——习题是本书最重要的部分,读者至少应该对所有题目都试一试.

参考文献肯定编得既不完备又繁冗不堪,因为至少有一半主要的数学分支都可以很有根据地推荐为本书内容的合理的继续.我试图把它编得虽不完备但很诱人.

在本书的写作过程中,我收到了很多批评和建议.我特别感谢 Richard Palais、Hugo Rossi、Robert Seeley 和 Charles Stenard 提出的许多有用的评论.我借重印本书的机会改正热情的读者向我指出的许多印刷和原稿中的小错误.此外,定理 3-11 之后的内容已完全修订和改正.另一些重要的改变如果放进正文中,势必会造成过大的改动,所以放在了书末的补遗里.

迈克尔·斯皮瓦克

1968 年 3 月于美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市



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数学定义就像游戏规则,不理解规则就没法玩。我一般会用类比的方法来理解定义,比如把抽象的数学概念和生活中的例子联系起来。然后,我会尝试用不同的方式来表达同一个定义,比如用公式、用文字、用图表等等,确保自己能够灵活运用。最有效的还是刷题,在应用中加深理解!

意义重大!你想想,斯托克斯定理从一个简单的公式,演变成能描述各种物理现象的强大工具,简直是数学界的变形金刚!这种演变不仅拓宽了定理的应用范围,更重要的是,它加深了我们对数学本质的理解。每一次推广都像是在拼图,把看似不相关的数学知识连接在一起,最终形成一幅完整的图景。

定理的演变和推广就像是不断升级的工具。最初的工具可能只能解决特定问题,但随着技术的进步,工具变得更加通用、更加强大。数学定理也是如此,推广后的定理往往具有更广泛的适用性,可以解决更多的问题,甚至可以启发新的数学分支的诞生。

平衡的艺术在于理解“为什么”。经典理论往往更加注重推导过程,能让我们明白“为什么是这样”,而现代方法可能更侧重于应用,告诉我们“怎么用”。在学习初期,应该多关注经典理论,打好基础;随着学习深入,可以更多地探索现代方法,提高效率。而且,了解经典理论也能让我们更好地理解现代方法的局限性,避免滥用。

深有体会!数学定义就像是砖瓦,有了清晰明确的定义,才能搭建起坚实的数学大厦。我理解定义的方式是,先理解定义的内涵,再通过例子和反例来加深理解,最后尝试用自己的语言来描述定义,确保自己真正掌握了定义的本质。

这就像盖房子,经典理论是地基和梁柱,现代方法是更先进的建筑材料和施工技术。没有地基,再好的材料也盖不出稳固的房子;只有地基,房子可能不够美观和实用。所以,我们要先打好基础,再用现代方法来提升整体质量。可以先学习经典理论,再去了解现代方法是如何改进和扩展经典理论的。

定义绝对是数学的基石!我理解和记忆定义的方法是“追根溯源”。我会查阅资料,了解这个定义提出的背景和动机,理解为什么要这样定义,以及这个定义解决了什么问题。这样不仅容易记住,还能加深对整个理论体系的理解。

我觉得经典理论是基石,现代方法是工具。学习经典理论可以帮助我们理解问题的本质,而现代方法能够提供更高效、更简洁的解决方案。所以,应该先学好经典理论,再逐步引入现代方法,这样才能更好地理解和应用知识。

数学定理的演变和推广是数学发展的核心动力之一。一个定理的推广往往意味着我们对某个数学概念的理解更加深入,也意味着我们可以用更一般的框架来解决更多的问题。斯托克斯定理从最初的简单形式发展到流形上的形式,就是一个很好的例子,它揭示了不同数学分支之间的深刻联系。